KR20180132961A

KR20180132961A - 일정한 인지 밝기 및 컬러로 튜닝가능한 서카디안 조명을 제공하기 위한 장치, 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20180132961A
Application number: KR1020187034861A
Authority: KR
Inventors: 사무엘 엠. 버만; 브래들리 디. 슐레스셀만; 제이슨 티. 슈츠
Original assignee: 무스코 코포레이션
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-12
Also published as: WO2017210461A1; EP3466218A1; US20170348506A1; US10786648B2; CN109479357A; KR102226170B1; EP3466218A4; CN109479357B

Abstract

눈의 중심와에는 없지만 나머지 인간의 망막체 전반에 걸쳐 분포된 새로 발견된 망막 신경절 세포 광수용체 멜라놉신은 서카디안 엔트레인먼트를 유도하는 비-시각적인 생물학적/생리학적 입력 및 인지된 밝기에 영향을 미치는 시각적 입력 둘 모두를 제공하며; 이러한 인지된 밝기는 중앙 뷰의 객체의 휘도 및 인지된 컬러와 통상적으로 연관된 객체 밝기가 아니라 전체 공간 또는 작업 배경의 밝기 인지이다. 멜라놉신 자극에 기초한 서카디안 조명 시스템들에 대한 개선점들이 논의되어, 주변 및/또는 디바이스 배경 조명은, 원하는 서카디안 사이클에 따라 그리고 순 광 출력이 시간적 튜닝 전반에 걸쳐 일정한 인지된 밝기 및 컬러인 방식으로, 규정된 컬러 온도들의 범위에 걸쳐 더 높은 멜라놉신 함량을 갖는 조명의 제1 서브세트로부터 더 낮은 멜라놉신 함량을 갖는 조명의 제2 서브세트로 시간적으로 튜닝될 수 있다.

Description

일정한 인지 밝기 및 컬러로 튜닝가능한 서카디안 조명을 제공하기 위한 장치, 방법 및 시스템

본 출원은 2016년 6월 3일에 출원된 미국 가출원 일련번호 제62/345,559호의 35 U.S.C. 119 및/또는 120 하의 이익 및 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 일반적으로 원하는 서카디안(circadian) 자극에 따라 사용자에게 생물학적/생리학적 이익을 제공하기 위해 광원 출력을 조정하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상기 생물학적/생리학적 이익들을 생성하는 광원 출력에서 동작 변수들에서의 시프트들, 즉, 무엇보다도 경보에 영향을 미치는 광의 멜라노픽(melanopic) 함량에서의 동적 시프트들이 또한 (i) 동작 과정에서 주위 또는 배경 광의 인지가능한 상이한 컬러를 초래하지 않고 (ii) 반드시 일정한 휘도 또는 조도를 유지하는 것이 아니라 오히려 일정한 인지된 주위 또는 배경 밝기를 유지할 수 있는 정도까지 소위 서카디안 조명(또한 "생체 조명" 또는 "광생물학" 또는 "광 테라피"로 지칭됨)에서의 개선들에 관한 것이다.

지난 수십 년 동안 조명에 대한 인간 반응으로 본 명세서에 언급될 것을 이해하려는 시도로 많은 노력이 이루어졌다. 조명에 대한 인간의 반응은, 눈부심을 생성하는 광원의 존재에서 스퀸팅(squinting)과 같이 즉각적이고 물리적일 수 있거나, 적절한 광 테라피에 대한 장시간의 노출에 비해 SAD(seasonal affective disorder)로 인한 감소 효과와 같이 느리게 진화하고 더 본능적이다. 연구는 널리 허용되는 진실, 즉, 조명은 단순히 조명하는 것 이상을 수행하고, 눈은 단순히 보는 것 이상을 수행하는 것을 도출하였다. 보다 구체적으로, 조명은 시력을 촉진시키는 것 이상을 수행하여, 관찰자에 대한 생물학적/생리학적 영향을 미친다.

서카디안 효과들을 정량화하기 위해 많은 접근법들이 취해졌다. 활성 및 인과 호르몬인 멜라토닌이 피실험자들에서 측정되고 서카디안 거동과 상관되며, 이는 결국 다른 조건들 중 경보와 상관되었다. 실험자들은 하나 이상의 생물학적/생리학적 이익들(예를 들어, 인지되거나 측정된 경보)을 산출하기 위한 시도로 광에 대한 강도 및 노출을 조정했으며; 예를 들어, 둘 모두가 인용에 의해 본 명세서에 전체적으로 참조로 통합된 미국 특허 제8,028,706호 및 제8,506,612호를 참조한다. 실험자들은 멜라토닌 생성/대사를 촉진하거나 그렇지 않으면 서카디안 리듬들을 조절하기 위해 LED들과 같은 컬러 광원들의 선택을 통해 SPD(spectral power distribution)를 조정하였다(또한, 미국 특허 제8,506,612호 참조). 실험자들은 예상된 서카디안 리듬에 따라 상기 LED들에 대한 적시의 전력 또는 듀티 사이클 조정들에 의해 다수의 컬러화된 LED들로 구성된 광원의 SPD를 조정하였다. 이러한 노력들은 유리한 서카디안 조명 제품을 생성할 수 있지만 몇몇 결점들을 겪는다.

상업적으로 이용가능한 서카디안 조명 시스템들은 낮 동안 "더 차가운" 청색 광을 생성하여 더 큰 서카디안 자극을 개시하고, 밤 동안 "더 따뜻한" 적색 광을 생성하여 상기 자극을 감소시킨다. 청색 광(즉, 일반적으로 더 높은 CCT(correlated color temperature)들과 연관된 더 차가운 광)은 멜라토닌을 억제하는데 더 효과적인 것으로 널리 공지되어 있다. 그러나, 이러한 상업적으로 입수가능한 조명 시스템들은 낮 동안 인지가능하게 더 청색이고 밤에는 인지가능하게 더 적색이 되어, 현저하고 인지가능한 컬러 시프트 및 또한 동작 시간 동안 전반적으로 인지된 밝기 시프트가 존재한다. 이것은 아마도, 많은 상업적으로 입수가능한 서카디안 조명 시스템들이 개별적 유닛들로 판매되어, 오직 밤에만 야간조명을 스위치 온하는 것과 매우 유사하게, 원하는 생물학적/생리학적 이익을 생성하기 위해 필요에 따라 개별적으로 스위치 온 및 오프될 수 있는 이유들 중 하나이다. 현저한 컬러 시프트는 종래기술의 서카디안 조명 시스템들이 그 아래에서 수행되는 작업을 위해 양호한 컬러 렌더링을 요구하는 일반 목적의 조명에 덜 적합하게 하며; 추가로 이는, 특히 시각적 작업을 둘러싼 배경 조명이 현저한 경우 컴퓨터 모니터들 및 다른 개인용 전자 디바이스들에 대해, 가시적 컬러 시프팅으로 인해 성가시거나 불편할 수 있다. 따라서, 종종, 임의의 서카디안 조명 시스템은 일반적 조명과 쌍을 이루어야 하거나 또는 "어느 하나/또는" 모드로 동작되어야 하여, 일반적 목적의 조명으로서 또는 생물학적/생리학적 이익들을 제공하는 특수 모드에서 동작된다(또한 미국 특허 제8,506,612호 참조). 이는 사용자에게 비용효율이 아닐 뿐만 아니라 귀찮고 성가실 수 있다.

일부 조건들 하에서 "어웨이크"(즉, 더 차갑고 더 청색인) 모드가 인지가능한 컬러에서 "슬립"(즉, 더 따뜻하고 더 적색인) 모드에 훨씬 더 가깝지만(그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된 미국 특허 제8,378,574호 참조), 광이 인지가능하게 백색이고 조도가 일정한 경우에도 시프트가 인지가능하게 남아 있을 정도로 일부 개선들이 행해졌다. 또한, 조도가 일정하게 유지되는 경우, 그러한 조도의 인지된 밝기는 변화하는 것으로 관찰될 것이다. 이러한 밝기 현상은 조명 공학 문헌에서 광범위하게 보고되었으며 이제 최근 발견된 멜라놉신 망막 광 수용체의 반응들에 기인하고, 이는 더 청색이 풍부한 조명에 의해 효율적으로 자극되는 것으로 발견되었다.

앞의 문제는 다음과 같은 문제점, 즉, 종래 기술의 서카디안 조명 시스템들은 "어웨이크" 모드의 청색 광을 추가하는 것에 의존하고, "슬립" 모드에 대해 청색을 감소시키고 더 적색인 광을 추가하는 것으로 전환하며; 심지어 "백색" 소스들을 이용하는 시스템들은 일반적으로 적색 또는 청색 광에서 무거운 많은 RGB-타입 LED들을 포함하는 문제점을 야기한다. 따라서, 광원의 컬러 온도를 변경하기 위해 소스들의 SPD를 조정하면(예를 들어, 더 차가운 광으로부터 더 따뜻한 광으로의 전환), 조도를 일정하게 유지하더라도 사용자는 컬러 및 밝기에서의 시프트를 인지할 것이고, 여기서 밝기에서의 인지된 시프트는 표준 광 측정기들의 교정에서 설명되지 않은 멜라놉신 수용체들의 반응에 기인한다. 따라서, 종래 기술들을 사용하면 인지가능하게 일정한 밝기 및 컬러의 서카디안 조명 시스템을 생성하는 것이 가능하지 않다. 따라서, 본 기술분야에 개선의 여지가 있다.

종래 기술의 서카디안 조명 시스템들은, 원하는 서카디안 엔트레인먼트에 따라 더 차가운 청색 광으로부터 더 따뜻한 적색 광으로 전환할 때 바람직한 생물학적 또는 생리학적 효과들을 생성한다. 그러나, 이러한 효과들은 바람직한 것으로 간주되지 않는 부수적인 효과들을 갖는다. 종종, 상기 서카디안 조명 시스템들은 전체적으로 조명의 인지된 컬러가 영향받을 뿐만 아니라 컬러의 평가를 요구하는 특정 작업들에 영향을 미치기 때문에 일반적 목적의 조명에는 적합하지 않으며, 따라서 이들은 추가적인 조명으로 보충되어야 한다. 대안적으로, 상기 시스템들은 일반적 목적의 작업 조명 모드에서 동작될 수 있지만, 상기 생물학적/생리학적 효과들 제공하는 것과 동시에는 동작할 수 없거나, 또는 동시에 동작되는 경우, 이들은 인지가능하게 일정한 밝기를 제공하지 않는다. 전자의 시나리오에서는, 사용자에 의해 추가 비용이 초래되고, 후자의 시나리오에서는 변화하는 인지된 밝기의 결과로서 불리한 생물학적/생리학적 효과들(예를 들어, 작업으로부터의 산만)이 유지될 수 있다.

모니터들, 태블릿들 및 셀 폰들과 같은 전자 디바이스들에 대해 서카디안 활성 배경 조명을 통합하려는 시도들이 행해졌다. 원하는 서카디안 활동은 현재 디바이스 배경 조명의 컬러 및 밝기를 변화시킴으로써 생성되지만, 또한 현저하게 성가시고 따라서 본 발명보다 덜 바람직하다.

따라서, 종래 기술에 대해 개선되고 그리고/또는 본 기술 분야의 문제점들, 이슈들 또는 단점들을 처리하는 것이 본 발명의 주된 목적, 특징, 이점 또는 양상이다.

Schlesselman 등에 의한 Illuminating Engineering Society의 전국 회의(2015년 11월)에서 최근 제시된 기술적 연구 보고들은 본 발명과 관련된 밝기, 멜라놉신 수용체들, 멜라노픽 함량 및 널리 공지된 S/P(scotopic-to-photopic) 비율들 등의 개념들과 관련된 발견들을 논의하였다. 이러한 보고들은 Schlesselman 등이고, 시뮬레이션된 스포츠 분야의 밝기 판단들은 광원들의 S/P 값과 상관되고(이하 개별적으로 "IES1"이며 본 설명에서 추후에 포함됨); 및 Schlesselman 등의 밝기 매칭은 S/P 값들과 조도 레벨 사이의 절충을 결정하며(이하, 개별적으로 "IES2"이며 본 설명에서 추후에 포함됨)(이하, 때때로 단순히 "Schlesselman 등"으로서 총괄적으로 인용됨), 이들은 그 전체가 참조를 위해 아래에 포함된다. 그러한 보고들에서, 더 친숙한 S/P 비율은 뷰잉된 조명의 상대적인 멜라놉신 함량((M/P 값)에 대해 매우 상관된 프록시로서 사용되었다. 제시된 상기 연구는, 필수적으로 서카디안 엔트레인먼트에 대해 비-시각적인 생물학적/생리학적 입력과 연관된 멜라놉신 수용체들을 촉발하는 광의 청색 함량 또는 심지어 CCT(correlated color temperature)가 아니라, 오히려 광의 SPD의 M/P(melanopic/photopic) 비율(아래 참조)에 의해 정량화되는 멜라노픽 함량임을 입증하였다. 이와 같이, 본 발명의 주요 양상은 상이한 컬러 및 서카디안 활성 광을 생성하는 청색 및 적색 보조 조명의 단일 사용에 의해 제공되는 관찰가능한 컬러 변화들에 크게 의존할 필요없이 전통적인 서카디안 조명의 이점들을 제공하는 것이다.

시력 과학자들은, 멜라놉신 수용체들이 눈의 중심와(central fovea)에 존재하지 않고 오히려 남아있는 망막체 전체에 분포되어 있다는 것을 추가로 발견하였고, 이는, 이러한 수용체들이 인지된 객체의 밝기(즉, 전체적으로 시야의 2 도 또는 그 미만으로 한정된 중심에서 뷰잉된 객체의 밝기)에 대해 관심이 없으며, 이러한 멜라놉신 수용체들은 Schlesselman 등에 의해 나타난 바와 같이, 배경 밝기(즉, 객체보다 전체 공간의 밝기)를 정량화하는데 필수적임을 의미한다. 이와 같이, 본 발명의 주요 양상은 생물학적으로 효과적인 배경 밝기를 위한 제어 변수로서 객체 밝기를 (예를 들어, 오직 객체 휘도만을 고려함으로써) 강조하는 종래 기술의 접근법들로부터 벗어나는 한편 종래 서카디안 조명의 이점들을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적 목적들, 특징들, 이점들 또는 양상들은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

a. 배경 조명의 인지된 컬러의 관점에서, 높은 멜라노픽 함량을 갖는 조명으로부터 낮은 멜라노픽 함량으로 또는 그 반대로 색에서의 인지불가능한 시프트를 제공하는 것;

b. 예를 들어, 다수의 작업들 및/또는 환경들을 수용하기 위해 다양한 공칭 컬러 온도들에서 상기 생물학적으로 효과적인 조명을 제공하는 것; 및

c. 이들의 측정된 전통적인 조도가 변하는 경우에도 일정한 인지된 공간 또는 배경 밝기로 상기 시프트를 제공하는 것.

본 발명의 일 양상에 따른 방법은 일반적인 목적 또는 배경 조명 및 서카디안 조명 둘 모두를 제공하기 위해 단일 조명 설비, 모듈, 조명기구 또는 광원 세트를 이용하는 단계를 포함하며, 광원은 높은 멜라노픽 함량을 갖는 LED들과 같은 소스들의 제1 서브세트 및 동일한 컬러(메타메릭 광들)의 낮은 멜라노픽 함량을 갖는 LED들과 같은 소스들의 제2 서브세트를 포함하고, 방법은 미리 결정된 프로파일에 따라 소스들 또는 LED들의 제1 서브세트로부터 소스들 또는 LED들의 제2 서브세트로 혼합된 협력으로 함께 전환하는 단계를 포함한다. 본 발명의 양상들에 따른 추가적 방법은, 예를 들어, 1.0으로 정규화된 약 0.40의 상대적 에너지와 같은 488 nm 주위의 대역; 추가로, 예를 들어, 상대적 전력이 478 내지 498 nm에서 0.20 정도, 483 내지 493 nm에서 0.30 정도 및 486 내지 490 nm에서 0.40 정도 뿐만 아니라, 본 명세서에 포함되거나 적절히 개발될 수 있는 SPD의 예들로부터 도출될 수 있는 다른 값들에서 상기 높은 멜라노픽 함량이 비교적 높은 퍼센티지의 에너지를 갖게 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따른 장치는 일반적 목적 및 서브세트 조명 둘 모두를 제공하도록 적응 및 제어되는 LED들의 상기 제1 및 제2 서브세트들을 포함하는 LED 조명 설비를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따른 시스템은, 일반적 조명을 또한 제공하면서 생물학적/생리학적 동작 이점들을 제공하고, 인지가능하게 가변적인 밝기 또는 컬러를 생성하지 않는 방식으로 LED 조명 시스템을 생성하기 위해 전술한 장치와 조합된 전술한 방법을 포함한다.

본 발명의 본 출원의 이러한 및 다른 목적들, 특징들, 이점들 또는 양상들은 첨부된 명세서 및 청구항들을 참조하여 더 명백해질 것이다.

본 설명에서 때때로, 도면 번호로 식별되고 아래에 요약된 도면들이 참조될 것이다.
도 1a는 종래 기술에 따른 간단한 조명 시스템을 블록도 형태로 예시한다.
도 1b는 종래 기술에 따른 더 복잡한 조명 시스템을 예시한다.
도 1c는 도 1b에 대응하는 종래 기술에 따른 부분 블록도를 예시한다.
도 2는 본 발명의 양상들에 따른 일반적 목적 및 서카디안 조명 둘 모두가 가능한 조명 시스템을 설계하는 하나의 가능한 방법을 흐름도 형태로 예시한다.
도 3a는 도 2의 방법에서 사용하기 위한 계산 소프트웨어 애플리케이션으로부터의 컴퓨터 그래픽 스크린 캡처를 도시한다.
도 3b 내지 도 3e는 그 내용의 명확한 이해를 제공하기 위해 도 3a의 이미지의 영역들(100, 110, 120 및 130)을 예시하는 도 3a의 그래픽의 렌더링들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 양상들에 따른 하나의 가능한 LED 조명 설비를 예시한다. (단지 예시의 목적으로, 도 4a는 빗금으로 광 투과성 외부 렌즈(5)를 예시하고 그 뒤의 LED 소스들을 도시하지 않지만; 도 4b는 제 자리에 있는 렌즈를 포함하여 그러한 LED들이 통상적으로 뷰어에게 어떻게 나타날지를 도시한다.)
도 5a 내지 도 5d는 도 4a 및 도 4b의 LED 조명 설비가 본 발명의 양상들에 따른 일반적 목적 및 서카디안 조명을 제공하기 위해 이용될 수 있는 다양한 가능한 장치들 및 시나리오들을 예시하며; 명확화를 위해 외부 렌즈가 광 투과성을 표시하는 빗금으로 예시됨을 주목한다.
도 6a는 전형적인 종래 기술의 백색 LED의 SPD와 오버레이된 멜라노픽 스펙트럼 감도 함수를 예시한다.
도 6b는 도 6a에 표현된 스펙트럼 함수들에 대한 정보를 제공하는 테이블이다.
도 7은 본 발명의 양상들에 따른 조명 시스템에서 사용되는 2개의 상이한 광원들을 조절하기 위해 인가되는 광 레벨 값들 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 양상들에 따라 높은 멜라노픽 함량을 갖는 메타머들에 대한 SPD를 도시하는 그래프들이다
도 9는 본 발명의 양상들에 따라 시간이 지남에 따라 낮은 M/P 조명으로부터 높은 M/P 조명으로의 전환을 도시하는 조명에 대한 동작 프로파일의 그래픽 표현이다.
도 10a 내지 도 10i는 아래의 IES#1 및 IES#2 섹션에서 언급되는 예시들 및 그래프들이다.

A. 개관

본 발명의 추가적 이해를 위해, 본 발명에 따른 특정 예시적인 실시예들이 상세히 설명될 것이다. 본 설명에서 도면들에 대해 빈번한 언급이 행해질 것이다. 참조 번호들은 도면들의 특정 부분들을 표시하기 위해 사용될 것이다. 달리 언급되지 않는 한, 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 표시하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다.

용어에 관하여, 조명, 특히 서카디안 조명과 연관된 생물학적 및/또는 생리학적 이점들에 대한 참조가 본 명세서에 주어진다. 이러한 이점들은 (이론적인 것과 반대로) 실현되는 것으로 널리 허용되는데 - "생물학적" 및 "생리학적"이라는 용어들의 사용은, 어떠한 특정 이점을 다른 것보다 더 실현되는 것으로 주장하는 것으로 의도되지 않고, 어떠한 특정 이점을 실현되는 것보다 널리 허용되지 않는 것으로 폄하하는 것으로 의도되지도 않는다. 전술한 용어들은 일반적으로, 광 유도 서카디안 엔트레인먼트에 의해 달성될 수 있는 이점들, 및 더 광범위하게는 서카디안 조명과 관련될 수 있는 조명에 대한 비-시각적 응답들을 설명하기 위해 사용된다.

추가로 용어에 관하여, 일반적 목적의 조명 및 그 아래에서 수행될 수 있는 작업들에 대한 참조가 본 명세서에 주어진다. 일부 특정 예들이 주어지지만, "일반적" 및 "작업"이라는 용어들의 사용은 본 발명의 사용 또는 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 일반적 목적의 조명은 특정 작업을 유념하거나 유념하지 않는 외부 또는 내부 조명일 수 있다. "일반적 목적"의 사용은 또한 인지된 밝기에 관한 단서를 제공하도록 의도되며; 특히, 본 발명에 따른 양상들은 객체 밝기(예를 들어, 객체 휘도)보다는 배경 밝기에 관한 것이고, 따라서, 중심 뷰에서 주로 객체의 컬러 또는 밝기보다는 조명의 전반적인 목적 및 환경을 고려하도록 의도된다. 종래 기술(본 명세서에서 참조 문헌들로서 포함된 소스들 중 일부를 포함함)에서 밝기는 구어체에서 휘도와 상호교환가능하게 사용되는 용어이지만, 이는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 "밝기"의 정의가 아니다. 개념적으로 이는 태블릿 컴퓨터, 전화 또는 게임 디바이스와 같은 전자 디바이스에 비유될 수 있다. 종래 기술이 중심 객체에 대한 밝기(예를 들어, 태블릿 상의 글자들이 얼마나 밝게 나타나는지)를 설명하고 있는 반면, 본 발명은 중심 초점 외부의 모든 것에 대한 밝기(예를 들어, 태블릿 컴퓨터 상의 배경이 얼마나 밝게 나타나는지)를 설명하고 있다. 이것은 비교적 작은 차이인 것처럼 보일 수 있지만, 멜라놉신 수용체의 효과들은 발생 초기이며 그러한 묘사에 적합한 조명 설계에 대한 새로운 접근법임을 주목해야 한다. 그리고 혼란을 피하기 위해, 조명 업계에서 널리 수용되는 정의들에 따라, 그리고 이를 제외하면 Schlesselman 등에 따라 "조도", "휘도" 및 "인지된 밝기"라는 용어들을 사용하는데 주의를 기울였다.

추가로 용어에 관해서는, 본 명세서에서 "인지된 컬러", 즉, 광을 생성하는 동일한 특정 세부 스펙트럼에 의해 생성되는지와 무관하게 인간의 눈에 의해 동일하게 인지되는 컬러가 참조된다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 발명은 메타메리즘(metamerism)을 이용하여, 특히 인간의 시각적 응답(즉, 가능한 모든 시각적 파장이 아닌 SPD에 광범위하게 반응하는 눈의 원추들)을 이용한다. 시력 과학 및 조명 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 인간은 색상 인지를 개시하는 것을 담당하는 3가지 유형들의 원추들(적색, 녹색 및 청색 원추들로 각각 완곡하게 지칭되는 하나의 원추 타입)을 가져서, 상기 원추들의 출력들에 기초한 신경 컴퓨테이션의 관점에서 인지된 컬러의 특성화를 도출하는 것이 널리 이해된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 동일한 "인지된 컬러"를 갖는 것으로 특성화되는 2개의 소스들은 소스 특정 SPD(spectral power distribution)들이 동일한지 여부와 무관하게 3개의 원추들 각각의 동일한 전체 자극 및 그에 따른 인지된 컬러를 생성하는 단지 2개의 소스들이다.

마지막으로, 용어에 관해서는, 광원의 스펙트럼 전력 분포의 상대적인 멜라노픽 함량 또는 M/P(melanopic/photopic) 값 뿐만 아니라 "멜라노픽 함량"에 대한 참조가 본 명세서에서 제공된다. 하나 이상의 비주얼들이 나중에 제공되는 한편, 이러한 용어에 대한 추가적인 정의를 제공하기 위해, 주어진 SPD의 광원에 대한 멜라노픽 함량을 M으로 고려할 수 있는데, 여기서 M은 상기 SPD를 멜라노픽 감도 함수(추후에 설명되며 또한 도 6a 참조)와 콘벌루션함으로써 결정되며, 이는 (a) 이의 피크 파장(예를 들어 단위)에서 또는 (b) 포토픽 감도 함수의 전통적인 정규화와 일치하는 555 나노미터의 파장에서 적용된 683의 수치 값으로 적용된 수치 값에 의해 정규화되었다. 그 다음, M/P는 후속적으로 그 컨볼루션을 동일한 SPD와 연관된 루멘으로 나눔으로써 결정된다. 그 결과는 단위 정규화를 위한 루멘 당 유효 밀리와트(mW/lm)에서 또는 후자의 경우 치수적으로 균일한 수(즉, 포토픽 루멘 당 멜라노픽 루멘)에서 획득된 값이다. 어느 경우이든, 특정 변환 팩터는 정규화 선택에 의존할 것이지만, 이러한 정규화된 또는 임의의 다른 고려되는 것들 사이에서 모든 소스들에 대해 고정된 수치 변환이 존재한다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 적용은 임의의 특정 정규화 절차로 제한되지 않는다는 것을 또한 주목해야 한다.

본 명세서에 기술된 바와 같이, 서로 비교할 때 높은 멜라노픽 함량 광원은 더 높은 M/P 값을 가질 것이고 낮은 멜라노픽 함량 광원은 더 낮은 M/P 값을 가질 것이며; 또한 이러한 측정치는 비율(M/P)이므로 순 광 강도와 무관하다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 본 명세서에서 광원을 "튜닝"하는 것이 언급될 때, 상이한 M/P 값들을 갖지만 특정 프로파일을 갖는 LED들(또는 다른 광원들)에 대한 듀티 사이클 또는 전력 입력을 단순히 변경하여 컬러 및 인지된 밝기를 유지한다. 인지된 밝기 및 멜라노픽/스코토픽/포토픽 기능들 측정에 관한 추가 정보는 Schlesselman 등에서 발견될 수 있다.

예시적인 실시예는, 복수의 LED들을 이용하는 LED 조명 설비를 기술하며, 이들 중 일부 서브세트는 미리 결정된 프로파일에 따라 동작되는 다른 것들보다 높은 멜라노픽 함량을 가져서 컬러 또는 밝기에서 인지가능한 시프트 없이 일반적 조명 및 서카디안 조명 둘 모두를 제공한다. 전술한 LED 조명 설비는 다수의 형태들을 취할 수 있는데, 이 중 일부는 이후 상세히 설명되지만 일반적으로 말하면 도 1a 내지 도 1c에 따라 기술될 수 있다. 코어에서, LED 조명 시스템은 일반적으로 수단(20)을 통해 구동기(51)에 전력을 분배하는 전원(10)을 포함하며, 그 다음, 구동기(51)는 수단(21/22)을 통해 LED들과 함께 사용하기 위해 컨디셔닝된 전력을 하나 이상의 설비들(61)에 분배한다. 도 1a에 예시된 일반적인 원리는 특정 작업 또는 일반적인 목적을 위해 필요에 따라 반복되고 커스터마이징되며, 대응하는 조명 시스템은 필요에 따라 더 커지거나 더 커스터마이징되고; 이것은 야구장의 경우 도 1b 및 도 1c에 예시되어 있다. 도 1b 및 도 1c에서 볼 수 있는 바와 같이, 전원(10)은 일반적으로 분배 와이어(20)를 통해 서비스 분배 캐비넷(30)에 전력을 공급하는 (예를 들어, 유틸리티 회사로부터의) 변압기를 포함한다. 상기 전력은 전력선(21)을 통해 서비스 분배 캐비넷(30)으로부터 제어/접촉기 캐비넷(40)으로 이동하고, 여기서 전력은 전력선(21)을 통해 각각의 조명 지지 구조체(60)(예를 들어, 폴 또는 기타) 상에 수용된 폴 캐비넷(50)으로 추가로 이동하고 마지막으로 하나 이상의 LED들에 전력 공급하고; 명확성을 위해, 단지 하나의 완전한 회로(폴 A에서 차단기(31)로부터 접촉기 모듈(41)을 통해 LED 설비(61)로)가 도 1c에 예시되어 있음을 주목한다. 결과는 필드(70)의 조명이다. 물론, 도 1b 및 도 1c에 예시된 바와 같은 일반적 LED 스포츠 조명 시스템에서조차도, 다른 고려 사항들이 중요함을 주목한다. 예를 들어, 불리한 전기적 효과들(예를 들어, 번개)로부터 보호하기위한 접지가 접지선들(80)에 의해 제공될 수 있다. 장비 접지는 마찬가지로 접지 배선(82)과 결합하여 장비 접지들(81)을 통해 제공될 수 있다. 마지막으로, 원격 제어 기능들은, 무선 안테나(43)를 통해 제어 모듈(42)과 무선으로 통신하는 원격 제어 센터(90)를 통해 가능하게 되어 통신 수단(22)에 의해 연결된 제어기 보드(53)와 통신하는 게이트웨이(44)를 통해 구동기(51)에 대한 디밍(dimming), 온/오프 또는 다른 스케줄링 정보를 제공할 수 있으며, 통신 수단(22)은 하드 배선(예를 들어, RS-485, 섬유), 무선 통신(예를 들어, 지그비)를 포함할 수 있거나 새로운 배선 대신에 기존의 배선(22)(예를 들어, 전력선 통신들)을 사용할 수 있다. 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합되며 미국 아이오와 주 오스칼루사 소재의 Musco Sports Lighting, LLC로부터의 상품명 CONTROL-LINK® 하에서 상업적으로 이용가능한 미국 특허 제6,681,110호에 기술된 바와 같은 원격 제어 기능은 미리 결정된 동작 프로파일들(예를 들어, LED들의 각각의 서브세트의 전력 및/또는 듀티 사이클)을 원격으로, 적시에, 주기적으로 또는 요구에 따라 구현하는데 유용할 수 있다. 회로를 보호하기 위해 회로 차단기들 또는 퓨즈들(52)이 또한 사용될 수 있다.

전술한 일반화된 예시의 양상들을 활용하는 더 특정한 예시적인 실시예가 이제 기술될 것이다.

B. 예시적인 방법 및 장치 실시예 1

전술한 바와 같이, 본 발명의 양상들에 따르면, 일반적 목적 또는 배경 조명 및 서카디안 조명 둘 모두가 제공될 수 있고 (예를 들어, 아래에서 참조되는 진정한 밝기 측정기로 측정된 바와 같은) 인지가능한 밝기 및 인지가능한 컬러 둘 모두가 "어웨이크" 상태로부터 "슬립" 상태까지의 시프트에 걸쳐 일정한 방식으로 단일 광원(예를 들어, 설비, 모듈, 또는 복수의 개별적인 LED 광원들의 세트를 갖는 다른 것)이 생성될 수 있다. 상기 어웨이크 및 수면 상태는 일반적으로 낮은 멜라토닌 생성/대사 속도 및 높은 멜라토닌 생성/대사 속도와 각각 상관되는데; 대안적으로, 상기 어웨이크 및 슬립 상태는 더 경고 상태 및 더 진정 상태에 각각 상관되는 것으로 지칭될 수 있다. 서카디안 조명이 실제로 생물학적/생리학적 이익을 제공하는지 여부를 결정하는 것 및 그러한 경우, 그러한 이익들을 정량화하거나 평가하는 방법이 본 발명의 주된 목적이 아니며; 오히려 본 발명은 본 기술분야에서 서카디안 조명을 제공하는 유리한 양상들로 이해되고 있는 것의 실행을 추가로 가능하게 함을 주목해야 한다.

본 발명에 따른 동일한 광원으로부터의 일반적 조명 및 서카디안 조명 둘 모두를 제공하기 위해, 도 4b의 적어도 2의 LED들의 서브세트들을 포함하고, 제1 서브세트(62)는 높은 멜라노픽 함량을 갖고 백색이며, 제2 서브세트(63)는 또한 백색이고 낮은 멜라노픽 함량을 갖는 광원(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c 및 도 4a 내지 도 5d의 LED 설비(61) 참조)이 착안된다. 이러한 2개의 상기 서브세트들은 메타머들로서 구성되는데, 즉 이들은 3개의 원추 망막 수용체들의 동일한 자극을 생성한다. 상기 메타머들은, 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된, 2012년 2월 Journal of Optical Society of America A의 Vienot, F 등(2012)에 의한 "Domain of metamers exciting intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) and rods"의 Vol. 29, No 2, pp. A366 - A376의 방법을 따르는 특정 LED들의 조합들로부터 생성된다.

멜라놉신 효율 함수에 대한 현재 지식에 기초하여, 대부분의 카테고리화된 백색 광원들을 포함한 계산들은, 높은 M/P 소스와 낮은 M/P 소스 사이에서 약 5배(a factor of five)를 달성하는 것이 가능함을 나타낸다. 이러한 5배는 비율이며, 따라서, 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된 Lucas 등에 의해 소개된 것들(http://lucasgroup.lab.ls.manchester.ac.uk/research/measuringmelanopicilluminance/ website accessed 2016-05-25)과 같은 멜라놉신 감도 함수의 정규화의 선택들과 무관함을 주목한다. 추가로, 상기 LED들의 제1 및 제2 서브세트는 동일한 인지된 컬러; 즉 서로의 메타머들이어야 하는데; 즉, 이들은 3개의 망막 원추들에 대해 동일한 순 출력들을 생성한다.

이와 같이, 방법(1000)의 제1 단계(1001)(도 2)에 따라, 조명 설계자 또는 다른 사람은 착안된 튜닝가능한 이중 목적의 LED 서카디안 조명 시스템의 원하는 CCT(correlated color temperature) 특성들을 결정한다. 상기 조명 설계자 또는 다른 사람은 조명 시스템의 일반적 목적(예를 들어, 실내 조명, 정면 조명, 거리 조명) 또는 그 아래에서 수행되는 작업(예를 들어, 매우 세밀한 조립 작업, 일반적인 사무실 작업)을 평가할 수 있다. 이는, 어떤 종류의 백색 배경 광이 이용되어야 하는지 뿐만 아니라 "백색"의 범위 내에서 높은 M/P 및 낮은 M/P 소스들의 메타메릭 쌍이 존재해야 하는 경우를 알리는 것을 돕는다.

아래의 표 1은 이러한 설계 프로세스에 유용할 수 있으며, 대응하는 S/P 및 M/P 값들을 갖는 여러 상이한 널리 공지된 광원들(및 또한 본 발명의 양상들에 따라 개발된 일부)의 CCT 특성들을 예시한다. 나타난 M/P 값은 멜라놉신 감도 함수에 대한 피크 파장에서 단위 정규화를 사용하는 것에 기초한다. CIE 타입 정규화에 기초한 M/P의 값은 표 1의 M/P 열에, 상기 참고문헌(Lucas 등)에 의해 제공된 멜라노픽 함수에 기초한 곱셈 계수 4.2146을 적용함으로써 획득된다.

[표 1]

원한다면, 방법(1000)의 단계(1001)에 따라 추가적인 컬러 특성들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 식별된 작업이 정확한 컬러 렌더링을 요구하는 경우, 조명 설계자 또는 다른 사람은 또한 비교적 높은(예를 들어, ≥60) CRI(color rendering index)를 또한 정의하도록 선택할 수 있다.

도 8a 및 8b는 본 발명의 양상들에 따른 및 본 명세서에서 참조된 바와 같은 광원들 Musco(1) 및 Musco(2)에 대한 SPD를 도시하는 그래프들이다.

도 2의 제2 단계(1002)에 따르면, 원하는 멜라노픽 함량 범위(즉, 높은 멜라노틱 함량 및 낮은 멜라노픽 함량)가 선택된다. 주변 광이 작업 컬러 충실도에 중요하다고 간주되는 경우, 멜라노픽 함량 범위는 대략 단일 CCT 내에 있도록 선택될 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 다른 것에 대한 하나의 멜라노픽 함량 범위의 선택은 적어도 부분적으로 제조가능성에 의존할 수 있다.

멜라노픽 효율적 광원의 요건을 충족시키기 위해, LED 설계자들은 스펙트럼의 주요 부분(약 488 nm)을 간과하는 관습을 중단할 필요가 있을 것임을 주목해야 한다. 한 때, 이러한 스펙트럼 부분은 일반적으로 중요하지 않은 것으로 고려되었는데, 이는, 이러한 부분이 시각적인 예리함, 컬러 렌더링 등에 실질적으로 기여하지 않는다고 여겨졌기 때문이며; 이제, 이것은 멜라놉신 수용체를 활성화시키기 위해 요구되는 팩터인 것으로 이해되는 것이 더 낫다. 예를 들어, 도 6a는 전형적인 5700K LED 소스에 대한 스펙트럼 기능에 중첩된 "멜라노픽 기능"을 도시한다. 도 6b는 도 6a의 곡선들과 관련된 값들을 도시한다. 이러한 경우, 멜라노픽 곡선의 피크는 LED 스펙트럼 곡선에서의 드롭과 거의 완벽하게 정렬되어, 이러한 전형적인 LED 소스는 매우 낮은 상대적 멜라노픽 함량을 함유하는 것으로 볼 수 있으며, 따라서 높은 멜라노픽 함유 광의 이점들을 제공하지 않을 것이다.

표 1의 마지막 2개의 행들에서 보고되고 Schlesselman 등에 의해 사용된 메타머들("Musco(1)" 및 "Musco(2)")은 또한 LED 형광체들과 관련된 종래 기술의 관습들을 사용한 상업적으로 입수가능한 광원으로 생성될 수 있다고 여겨진다. 착안된 바와 같은 본 발명은 약 488 nm 대역에서 비교적 높은 비율의 에너지를 갖는 적어도 하나의 광원을 포함한다는 것을 주목해야 한다. Musco(1) 소스의 경우, 이는 가시광선 범위에서 1.0으로 정규화된 총 에너지를 갖는 약 0.40의 상대 에너지이다. 따라서, 훨씬 낮은 멜라노픽 함량을 갖는 메타메릭 광원에 대해 인지가능한 밝기 및 컬러를 유지하면서 488 nm에서 광에 대한 높은 상대 값 뿐만 아니라 488 nm 값 근처의 광, 예컨대 486 내지 490 nm, 483 내지 493 nm, 또는 심지어 478 내지 498, 또는 훨씬 더 넓은 범위 예를 들어, 특히 특정 시간 기간 동안 멜라노픽 함량을 증가시키기 위해 특히 포함되는 경우 468 내지 508 nm의 광은 업계에서 높은 값임을 알 수 있다. 착안되는 상대 전력의 특정 예들은 적어도, 478 내지 498 nm에서 0.20 정도, 483 내지 493 nm에서 0.30 정도 및 486 내지 490 nm에서 0.40 정도 뿐만 아니라, 본 명세서에 포함되거나 적절히 개발될 수 있는 바와 같은 SPD의 예들로부터 유도될 수 있는 다른 것들을 포함한다.

단계(1002)에 후속하여, 선택적 단계(1003)는 제조사에 의해 또는 특수화된 필드 계측기들을 통해 독립적으로 높은 멜라노픽 함량 LED가 실제로는 낮은 멜라노픽 함량 LED의 메타머이고 의도된 사용에 대해 반대인 것; 즉, 이러한 SPD들이 상이하지만 동일한 순 원추 자극을 제공하며 따라서 인지된 주변 광이 동일한 컬러를 가질 것을 검증하는 단계를 포함한다. 도 3a는 선택적 단계(1003)에서 사용될 수 있는 계산 소프트웨어 애플리케이션으로부터의 그래픽 화면 캡처를 도시한다. 도 3b 내지 도 3e는 그 내용의 명확한 이해를 제공하기 위해 도 3a의 이미지의 영역들(100, 110, 120 및 130)을 예시하는 도 3a의 그래픽의 렌더링들의 세트를 제공한다.

제4 단계(1004)는 결합된 시스템의 전체 멜라노픽 출력이 특정 사용자 스케줄에 따라 변화함에 따라 높은 멜라노픽 함량 LED와 낮은 멜라노픽 함량 LED 사이에 일정한 인지된 밝기를 설정하는 단계를 포함한다. 앞서 논의한 바와 같이, 최근 발견된 멜라놉신 수용체, 더 구체적으로는 고유한 감광성 망막 신경절 세포(iprGC)들은 인지된 밝기에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 인지된 밝기는 앞서 언급된 바와 같이 (포함된 참조문헌들 중 일부에서 이를 명확하게 언급하지 않을 수 있는 언어에도 불구하도) 휘도 또는 조도와 동일하다 않다. 공간에 대한 인지된 밝기는 Schlesselman 등에 따르면, 방 또는 경기장 또는 심지어 디바이스 배경 영역과 같은 (중앙에서 뷰잉되는 객체들에 비해) 넓은 공간의 조명과 관련된 밝기 감각으로 이해된다. 일반적으로, 이러한 공간적 밝기는 원추 및 멜라놉신 수용부 둘 모두에 의존하며, P로 표시된 원추들의 전통적 출력을 곱셈 팩터 (M/P)^z만큼 증강시킴으로써 앞서 설명되는 바와 같이 Schlesselman 등에 의해 결정되었고, 여기서 지수 z는 특정 뷰잉 조건들에 의존한다. 조명된 경기장의 조건들에 대해, 상기 Schlesselman 등은, 지수가 값 0.32 ± 0.02을 가지며 일반적인 건축 환경들에 대해 거의 동일한 것으로 결정되었다고 실험적으로 또한 결정하였다. 컴퓨터 화면들 및 모바일 폰들과 같은 다른 시각적 환경들의 경우 지수는 또한 유사하게 예상되지만 약간 상이할 수 있다. 이러한 개념들은 아래의 수식 (1) 및 (2)에 의해 명시적으로 나타나 있으며, 이는 멜라노픽 효과와 연관된 전체 또는 '실제' 공간 밝기 인지와 상관되는 보조 곱셈 팩터를 제공한다. 위에서 설명된 일반적 시각 조건들에 대한 표준 포토픽 조도 양 P에 적용되는 곱셈 팩터.

일반적 경우:

공간적 밝기

수식 (1)

앞서 설명된 바와 같은 특수한 경우들:

공간적 밝기

수식 (2)

따라서, 일반적으로, 상이한 M/P 값들을 갖는 2개의 소스들(예를 들어, LED₁ 및 LED₂)가 동일한 공간적 밝기를 생성하려면, 이들 각각의 포토픽 조도들은 수식 (1)에 따라 다음과 같이 조정된다:

수식 (3)

이는 다음과 같이 재기입될 수 있다:

조명된 경기장의 조건들에 대해 또는 일반적인 건축 환경들에 대해, 일반적인 지수 'z'는 수치 값 0.32로 대체되며, 즉 식 3은 다음과 같다

수식 (4)

필드에서 전체 공간적 또는 '실제' 밝기의 직접 측정을 위해, M/P 값들을 통합하여 그 출력을 조정하여 '실제' 밝기의 필드 측정을 제공하는(따라서, 공간적 또는 "실제" 밝기 계측기를 생성함) 것을 포함하는 소프트웨어가 전통적인 광 계측기에 도입된다. 특히, 이러한 계측기는 CIE 타입 정규화에 기초한 차원적으로 균일한 M/P 값들을 사용할 것인데, 여기서 일례로 멜라놉신 감도 함수는 555 nm의 파장에서 683의 값을 갖는다. 그러나, 2개의 시스템들 사이의 포토픽 럭스의 퍼센티지 차이는 수식 (3)과 (4)에 따른 M/P 값들의 비율들에만 의존하기 때문에, 그 퍼센티지는 정규화 방법과 무관하다. 또한, 상기와 같은 Schlesselman 등은 앞서 언급된 지수들이 정규화 절차와 무관하다는 것을 나타냈음을 추가로 주목해야 한다.

수식 (4)를 적용한 수치적 예들 및 가능한 조명 에너지 절감들의 관점에서 Schlesselman 등의 결과들의 활용을 입증하는 예로서, 적절한 동일한 CCT 값들을 갖는 표 1에 제공된 값들에 기초하여 일반적으로 각각 'LED1' 및 'LED2'에 대한 2가지 경우들의 소스들, 즉, "차가운 백색 디럭스"를 갖는 "차가운 백색" 및 "Musco(1)"을 갖는 "금속 할로겐화물 27k"를 고려할 수 있다. 이러한 각각의 경우들에 대해, 더 낮은 M/P 소스는 100 럭스의 주변 조명을 제공한다고 가정하면, 더 높은 M/P 소스들은 각각 약 87 럭스 또는 73 럭스와 동일한 밝기 인지를 달성한다. 이러한 후자의 값들은 전술한 공간 밝기 계측기로 동일한 밝기 인지를 생성하는 것으로 검증될 수 있다. 특정 수치 값들은 다음과 같은 수식 (4)의 두번째 형대를 사용하여 계산된다:

LED1 = 차가운 백색이고 LED2 = 차가운 백색 디럭스인 경우,

LED1 = 금속 할로겐화물 27k 및 LED2 = Musco(1)인 경우,

동일하게 인지된 밝기를 달성하기 위해 높은 및 낮은 멜라노픽 함량 소스들(예를 들어, LED들) 둘 모두의 포토픽 조도를 알면, 상기 조도들(즉, 이들의 적절한 광 레벨들로 낮은 및 높은 멜라노픽 소스들에 전력 공급하기 위해 필요한 전류)과 연관된 적절한 전력 입력들을 결정할 수 있다. 원하는 포토메트릭 출력을 획득하기 위한 전력 입력을 결정하고 광 계측기를 사용하여 광을 측정하는 것은 본 기술분야에 널리 공지되어 있는데; 물론, 원하는 에너지 절감들을 달성하기 위해 높은 및 낮은 멜라노픽 함량 LED들 둘 모두가 이들의 원하는 포토픽 조도에서 동작하고 있는지를 검증하기 위해 종래의 광 계측기가 사용될 수 있다.

애플리케이션이 서카디안 자극을 동적으로 제어하기 위한 것인 경우 제안된 발명에 있어서, 수식 (3)은 밝기 인지의 동일성을 보장하는 2개의 메타메릭 소스들(높은 ? 낮은 서카디안 자극)의 초기 및 최종 조도 레벨들의 표시자로서 기능한다. 동적으로 그리고 동작 시간 기간 동안, 그러한 자극은 최대 자극(높은 M/P, 예를 들어 LED1)에서 최소 자극(낮은 M/P, 예를 들어 LED2)으로 이동한다. 전환 기간 동안, LED1 및 LED2 둘 모두의 조도 값들은 동시에 조정되어 밝기 인지를 일정하게 유지하는 한편, 전환 동안 일정한 컬러가 보장되는데, 이는 2개의 소스들이 메타머들이고 따라서 이들 메타머들의 임의의 혼합이 동일한 컬러를 유지할 것이기 때문이다.

전환 동안 일정한 컬러 및 밝기 인지 둘 모두를 달성하기 위해 함께 동시에 동작하는 2개의 소스들에 대한 조도 프로파일에 대한 알고리즘은 아래의 수식 (5)에 설명되어 있다.

수식 (5)

여기서, F_LED1 = 수식 (1)에서 계산된 높은 멜라노픽 함량 소스의 프랙셔널 포토픽 조도이고,

이다.

F_LED2 = 수식 (1)에서 계산된 낮은 멜라노픽 함량 소스의 프랙셔널 포토픽 조도이고,

이다.

이고, 넓은 범위의 가능성들을 커버하며,

이다.

수식 (5)는 시간 함수로 고려되어야 하는데, 즉, LED1의 서카디안 효율을 변경하기 위해 LED1에 대한 전력 조정들이 행해질 때 전체 소스 쌍과 연관된 전체 밝기 인지가 일정하게 유지되도록 LED2에 대한 보상 전력 조정들이 행해진다. 일부 비제한적인 예들로서, 기존의 건물 관리 시스템에 따라 또는 국부적 일출/일몰 시간들에 따라 몇 분마다의 변경들과 같은 사용자 스케줄이 적용될 수 있다. 표 2는 시간 경과에 따른 멜라노픽 함량을 변화시키는 데 사용될 수 있는 그러한 전력 프로파일의 예를 나타낸다. 인식할 수 있는 바와 같이, 다른 파라미터들에 기초한 다른 프로파일들이 필요 또는 소망에 따라 가능하다.

예를 들어, 표 2의 동작 프로파일(또한 도 9 참조)은 기본적으로 반대일 수 있다. 오후 8시에 시작하는 8 시간 근무 교대 대신, 오전 8시에 시작할 수 있다. % 높은 M/P 대 % 낮은 M/P는 반전될 것이다(예를 들어, 8 AM에 100 % 높음 M/P 및 0 % 낮음 M/P). 프로파일은 오전 9시까지 진행되어 75% 높은 M/P 및 25% 낮은 M/P, 오전 11시에 50% 높은 M/P 및 50% 낮은 M/P, 오후 1시에 25% 높은 M/P 및 75% 낮은 M/P; 및 오후 3시 및 오후 4시에 0% 높은 M/P 및 100% 및M/P로 전환할 것이다.

[표 2]

도 9는 오후 8시부터 오전 4시까지 단계적으로 낮은 M/P 광으로부터 높은 M/P 광으로의 전환을 도식적으로 표현하는 유사한 프로파일을 나타내어, 오후 8시에 100 % 낮은 M/P 광으로부터 오후 9시, 오후 11시, 오후 1시, 오후 3시 및 오후 4시에 각각 25 %, 50 %, 75 % 및 100% 높은 M/P 광을 통해 변한다.

수식 (5)는 또한 지수가 z = 0.32 값을 취하는 조명된 경기장 또는 일반 건축 환경들의 뷰잉 조건들에 대해 특수화될 수 있는데, 이 경우 수식 (5)는 아래의 수식 (6)이 된다:

수식 (6)

예를 들어, F_LED1+ F_LED2에 대한 다양한 값들을 사용하는 효과들을 설명하기 위해, 도 7은, 상수 'c'의 일부 나열된 값들(수식 (5))에 대해 규정된 스케줄마다 1부터 제로까지 f1 (=F_LED1) 변화들과 동일한 밝기 및 컬러를 유지하기 위해 f2 (=F_LED2)에서의 수반되는 프랙셔널 변화를 나타내는 수식 (4) 및 수식 (6)에서 사용된 바와 같은 F_LED1, F_LED2 및 지수 0.32에 각각 대응하는 값들 'f1', 'f2' 및 'c'를 사용하는 그래프이다.

따라서, 초기 소스의 조도(예를 들어, 높은 서카디안 자극)가 특정 설계 기준에 기초하여 선택되는 경우 및 상기 출력을 달성하기 위한 전력 입력이 공지되면, 방법(1000)의 단계(1005)에 따라 연관된 전력 제어 프로파일을 활용하여 서카디안 자극이 변하는 동안 2개의 소스들로부터의 순 광이 함께 일정한 인지된 밝기를 달성하도록 보완 메타메릭 소스를 조정한다. 상기 전력 프로파일은 소프트웨어를 통해 용이하게 구현될 수 있거나 또는 오프사이트 위치로부터 LED들의 연관된 서브세트에 대한 제어기 보드로, 즉, 도 1b 및 도 1c의 시나리오의 경우 원격 제어 사이트(90)로부터 안테나(43)로, 게이트웨이(44)로, 통신 수단(22)을 따라 제어기 보드(53)로 및 최종적으로 구동기들(51)로 통신된다. 상기 전력 프로파일은 어떠한 정기적 기간에 따라(예를 들어, 수 분마다 일부 프랙셔널 조도 출력 변화를 초래하는 1 % 전력 입력 변화), 요구에 따라(예를 들어, 높은 레오스탯과 같은 수동 전력 조정 부재를 통해) 또는 달리 미리 프로그래밍된 스케줄에 따라 멜라노픽 함량 LED들로부터 낮은 멜라노픽 함량 LED들로 전환할 수 있다. 따라서, 방법(1000)은 컬러가 고려되고(즉, 원추 응답), 서카디안 리듬이 고려되고(즉, 생물학적/생리학적 응답), 밝기가 고려될 뿐만 아니라(즉, 추가적으로 제어되는 멜라노픽 응답), 3개 모두가 고려되는 종래 기술의 관습들에 비해 서카디안 조명 시스템들을 설계하는 더 복잡한 방식을, 인지가능하게 일정한 컬러 및 공간적 밝기 인지를 유지하는 방식으로 기술함을 알 수 있다. 방법(1000)은 듀얼 목적(즉, 일반적 목적의 조명 및 서카디안 조명 둘 모두를 제공하는) LED 조명 시스템을 생성하기 위해 다양한 장치들에서 구현될 수 있어서; 하나의 이러한 장치는 도 4a 및 도 4b에 예시되어 있다.

도 4a 및 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, LED 설비(61)는 일반적으로 LED들의 어레이를 포함하고; 여기서 84개의 LED들은 2개의 병렬 스트링들(42개의 LED들이 각각 직렬로 배선됨)로 배선되어 있지만 LED들이 높은 멜라노픽 함량으로부터 낮은 멜라노픽 함량으로 교번하도록 설비 내에서 물리적으로 이격되어 있다. 따라서, 도 4b를 보면, 최상부 행, 상부 좌측 코너의 제1 LED는 높은 멜라노픽 함량 LED일 수 있고, 그 다음 것은 낮은 멜라노픽 함량 LED일 수 있고, 다음 것은 높은 멜라노픽 함량 LED일 수 있는 식이다. 이러한 방식으로 LED들의 2개의 서브세트를 교번시키는 물리적 배치는, 아침에 완전한 출력인 높은 멜라노픽 함량 LED들이 저녁에 낮은 출력 또는 출력 없음으로 전환될 때(낮은 멜라노픽 함량 LED들에 대해서는 반대임) 빔 패턴 및 광 균일성(이는 일반적 목적 및 그 아래에서 수행되는 작업에 결정적임)이 유지되는 것을 보장한다. 2개의 별개의 스트링들의 제어는 2개의 구동기들 또는 2개의 출력들을 갖는 단일 구동기 중 어느 하나를 요구할 것이지만, 이들은 상업적으로 입수하기 용이하며, 많은 경우들에서 일반적 목적의 조명 시스템 및 서카디안 조명 시스템을 구매해야 하는 것에 비해 사용자에게 여전히 더 저렴한 비용의 옵션임을 주목해야 한다.

LED 설비(61)는, 일체형 핀 열 싱크(6)를 갖는 알루미늄(또는 다른 열 전도성 합금)으로 구성된 설비 하우징(11)을 더 포함하고, 일체형 핀 부착 열 싱크(6)는 각각의(또는 선택된) LED들(1)에서 투명한 렌즈(5)와 함께 상호교환가능한 옵틱스(8)로 LED 광원들 및 옵틱스 패널(7)을 인클로징한다. LED 설비(61)는 다양한 지지 구조체들과 함께 사용되어 다양한 환경들에서 또는 다양한 작업들에 대해 동작을 가능하게 할 수 있다. 도 1b 및 도 1c에 예시된 것과 같은 스포츠 조명 애플리케이션에 추가하여, LED 설비들은 건축용 조명(도 5a)에 대해 장착된 접지일 수 있고, 이는, 일시적 또는 이벤트 조명에 대한 기존의 특징부(예를 들어, 나무)에 추가로 부착되거나(도 5b), 이동가능한 타겟팅된 조명에 대해 조절가능한 지그(jig)에 장착되거나(도 5c), 또는 일반적 목적의 내부 조명을 위해 리세스될 수 있는(도 5d) 스트랩핑 디바이스에 부착된다. 물론, 다른 애플리케이션들이 가능하고, 착안될 수 있으며, 상술된 애플리케이션들 중 임의의 것은 서카디안 조명의 원하는 생물학적/생리학적 이점들을 완전히 실현하기 위한 상이한 요건들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5a의 배열은 (예를 들어, 옥외 미술 행사에서) 야외 조각들을 조명하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 낮은 멜라노픽 함량 광들은 폐장 시간 근처에 (예를 들어, 후원자들이 저녁을 위해 떠나고 "윈드 다운(wind down)"하도록 비-시각적 큐를 제공하기 위해) 점차 더 지배적이 되고, 도 5c의 배열을 사용하여 포트에서의 야간 작업자들에 대해서는 반대가 적절할 수 있다. 완전하게 전력 공급되는 낮은 멜라노픽 함량 LED들로 시작하고, 야간 시프트의 과정에 걸쳐 (예를 들어, 경보를 장려하기 위해) 높은 멜라노픽 함량 LED들의 지배를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 시나리오들 중 어느 것이든 본 발명에 따른 양상들로부터 이익을 얻을 수 있다.

본 발명은 많은 형태들 및 실시예들을 취할 수 있다. 앞서 언급한 예들은 단지 그 일부이다. 일부 옵션들 및 대안들을 이해하기 위해, 일부 예들이 아래에 주어진다.

C. 옵션들 및 대안들

본 발명은 동일한 조명 시스템으로부터 일반적 목적의 조명 및 서카디안 활성 조명 둘 모두를 제공하기 위한 방법들, 장치 및 시스템들을 기술한다. 이는 본 발명에 따른 양상들의 사용에 대해 제한을 두지 않는다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 사람은 포함된 소스들의 범위 내에서 임의의 원하는 멜라노픽 함량을 출력하도록 본 발명의 양상들에 따른 조명 시스템(예를 들어, 높은 멜라노픽 함량 소스들 및 낮은 멜라노픽 함량 소스들 둘 모두 또는 심지어 스펙트럼 출력이 동적으로 조정될 수 있는 단일 소스를 갖는 조명 시스템)을 동작시킬 수 있는데; 이는, 본 발명의 양상들을 벗어남이 없이, 멜라노픽 함량 선택들 중 임의의 것의 임의의 타이밍 간격을 심지어 극치들 중 임의의 것에서(즉, 100% 높은 멜라노픽 함량의 전체 동작 시간부터 100% 낮은 멜라노픽 함량 소스들까지의 범위 또는 그러한 극치들 사이의 임의의 세트 포인트) 100% 듀티 사이클까지 포함할 수 있는 스케줄에 따라 높은 멜라노픽 함량 소스들의 0부터 100%까지 또는 그 사이의 어딘가 및 낮은 멜라노픽 함량 소스들의 0부터 100%까지 또는 그 사이의 어딘가의 범위를 활용할 수 있다.

전술한 다양한 수식들에 관해서, 이들은 상이할 수 있고 본 발명에 따른 적어도 일부 양상들로부터 벗어나지 않을 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 멜라놉신/멜라노픽 함량이 시력 과학 분야에서 비교적 새로운 개념이기 때문에, 인지된 밝기에 대한 비-시각적 응답을 표현하기 위해 (모든 실험 조건들 하에서 완전한 대체가 아니더라도) 상이한 비율을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 멜라노픽 함량이 M/P와 오히려 유사하게 스코토픽 대 S/P(photopic outputs)의 비율과 매우 상관가능함이 발견되었는데(Schlesselman 등 참조), 여기서 S는 CIE(Commission internationale de l'eclairage)로부터 소싱된 바와 같이 스코토픽 형광 효율 함수(V'(λ))와 소스 SPD의 콘볼루션을 표현한다. S/P와 M/P 사이의 높은 상관관계는 데이터가 M/P 뿐만 아니라 단지 기능적 스펙트럼 팩터로서 S/P로 분석되도록 허용한다. 이러한 경우에, 수식 (3)은 수식 (7)이 되도록 수정될 것이고, 수식 (6)은 수식 (8)이 되도록 수정될 것이다.

수식 (7)

여기서, 럭스는 측정된 포토픽 휘도이다.

수식 (8)

이다.

, 및

다른 예로서, 적시의 전력 조정들(예를 들어, 입력 전류가 증가 또는 감소되는 경우) 대신에, 규정된 소스들의 적시의 듀티 사이클들이 조정되어, 높은 멜라노픽 함량 소스로부터 낮은 멜라노픽 함량 소스로의 전환 및 그 반대를 용이하게 할 수 있다.

D. IES#1 (보충 정보)

시뮬레이션된 스포츠 분야의 밝기 판단들은 광원들의 S/P 값과 상관된다.

Bradley Schlesselman, Myron Gordin, Larry Boxler¹, Jason Schutz, Sam Berman², Brian Liebel² and Robert Clear²

Musco Sports Lighting, LLC, 100 1^st Avenue West, Oskaloosa, Iowa 52577

요약:

시뮬레이션된 경기장의 밝기 인지는 광학적으로 동일하고 일정한 컬러의 조명이지만 상이한 스펙트럼 함량(메타머들)에 대해 평가되었다. 20x30 피트 치수의 시뮬레이션된 경기장은 밀폐된 공간에서 구성되었으며 전체 동작 크기의 조명된 경기장에서 야간에 측정된 것들을 근사화하는 포토메릭 조건들(밝은 곳 및 어두운 곳 둘 모두)의 분포로 조명되었다. 3세대의 그룹들(18-30 세, 31-50 세 및 50 세 초과)로 구성된 57명의 피실험자들이 선택되었고, 조명된 "필드" 및 어두운 주위 둘 모두의 쌍안 및 방해받지 않은 뷰를 제공하는 시뮬레이션된 경기장의 에지 및 중간에 위치된 의자에 앉았다. 조도 레벨들은 경기장에서 관람자들 및 수행자들에 대해 측정된 것들에 대응하는, 시선 방향에서의 눈 높이에서 60, 150 및 400 수직 럭스였다. 피실험자들은 조명에 특별한 지식이 없으며 연구 목적을 알지 못하는 Musco 직원들 또는 그 가족이었다. 이 연구는, 백색 메타머들의 4개의 쌍들을 형성하도록 결합될 수 있는 다수의 상이한 컬러화된 LED 소스들을 갖는 극장 조명기구들을 활용하였고, 각각의 쌍은 다른 것에 비해 비교적 높은 S/P 비율을 갖는 1 메타머로 구성되었다. 2개의 쌍들은 다른 2개의 쌍들보다 비교적 더 높은 공칭 CCT 값들을 가지며, 메타머들의 각각의 CCT 세트 내에서, 하나의 쌍은 높은 및 낮은 S/P 비율 메타머 사이에 넓은 확산을 갖는 한편, 다른 한 쌍은 S/P 비율 사이에 비교적 더 작은 차이를 가졌다. S/P 값들은 대략 1.2부터 4까지 범위였고, 비교된 쌍에 대한 S/P 값들 사이의 차이는 0.72 내지 1.86으로 상이하였다. 종래의 CCT 값들은 공칭 2700K부터 6700K까지 범위였다.

피실험자들은 눈에서 측정된 조도가 비교된 쌍 내의 2개의 소스들 각각에 대해 동일했던 각각의 메타메릭 쌍 아래의 조명된 필드의 인지된 밝기를 비교했다. 피실험자들이 쌍을 이룬 조명들 사이의 반복된 스위칭을 뷰잉하면서 비교가 판단되었다. 피실험자들은 시뮬레이션된 필드의 중앙에 배치된 라바 램프의 비디오 이미지를 갖는 아이패드 미니 상에 초점을 맞추고 2개의 조명 조건들 중 어느 것이 더 밝게 보이는지 판단하도록 요청받았다. 47 명의 피실험자들은 60 및 150 럭스 둘 모두에서 4개의 메타메릭 쌍들 모두, 400 럭스에서 하나의 쌍을 포함하여, 총 423개의 총 스펙트럼 비교들에 대해 이러한 실험을 완료하였다. 획득된 결과는, 그러한 423개의 비교들 중 375개가 더 높은 S/P 값 광원들을, 조명된 필드에 더 밝은 외관을 부여하는 조명으로서 선택한 것이다. 이러한 결과는 더 높은 S/P에 대해 대략 10^-134의 우연히 발생할 가능성 또는 극소 p 값으로 더 밝게 인지되는 것으로 88.5% ± 1.6%의 비편향 추정치를 도출한다. 결과들은 모든 연령 층들에서 매우 중요하였다.

밝기 인지들과 연관된 가능한 객관적인 상관관계를 설정하기 위해, 40 명의 피실험자들에 대해 150 수직 럭스 광 레벨에서 메타메릭 쌍들 중 2개에 대해 적외선 동공측정법을 사용하여 동공 크기를 측정하였다. 결과들은, 평균 동공 크기들이 그렇지 않은 동일한 조명 조건들 하에서 보다 높은 S/P 스펙트럼들에 대해 현저히 더 작았으며, 반드시 밝기 인지의 원인 팩터는 아니더라도 과거 관측들과 양적으로 또한 일치함을 나타내었다.

배경기술:

이전의 연구 Berman 등(1990), Brown 등(2012), Royer & Houser(2012)는, 동일한 컬러의 그러나 상이한 스펙트럼 함량의 그리고 또한 동일한 포토픽 휘도(메타머들)를 갖는 전체 시야 조명들의 조건들에서, 동일하게 밝은 것으로 인지되지 않음을 나타냈다. 이러한 관찰들에 대한 현재의 이해 [Brown 등(2012), Ecker 등(2010)]는 눈의 망막에 넓게 분포된 비-이미지 형성 멜라놉신 광수용체의 반응들의 결과일 가능성이 높고, 그 스펙트럼 응답들은 포토픽 휘도의 결정에 포함되지 않는다. 멜라놉신 수용체의 발견 이전에 Berman 등(1990)에 의한 이전 연구는 메타머 스펙트럼 함량의 S/P 값에 기초하여 경험적으로 결정된 상관관계를 이용함으로써 메타머들의 스펙트럼 함량과 전체 필드 밝기 인지를 상관시켰다. 추후의 계산들은, 조명 관습의 통상적인 폴리크로매틱 광원들에 대해, S/P 값들과 그러한 소스들의 멜라노픽 함량 사이에 매우 높은(99% 초과) 상관관계가 있음을 나타냈다 [Berman (2008), Berman &Clear (2008,2014)]. 최근의 연구 [Royer & Houser(2012)]는 포토픽 휘도가 그들의 메타머들에 대해 동일한 밝기 인지를 예측하지 않는다고 결론을 내렸지만, S/P의 사용은, 이들의 관계들을 상관시키는 것이 밝기 인지들 및 조명 관습에 대한 실용적 가이던스 뒤의 메커니즘들 둘 모두에 대해 불확실성을 남기기 때문에 스펙트럼 팩터로서 실패한 것으로 또한 결론지었다.

연구 목적들:

지난 몇 년 동안 Musco 엔지니어들은 조명된 경기장의 밝기 인지가 조명의 스펙트럼 함량에 의존하는 것으로 나타난 것을 인식하였다. 이러한 인식은 가능하게는, 소스 컬러들에서의 차이들로부터 기인하는 시력 관련 컬러 효과들(Harrington 1954) 또는 소스 멜라노픽 함량에서의 차이들의 효과들(Bailes 2010) 또는 아마도 두 효과들 모두의 발생으로 인한 것일 수 있다. 위에서 설명한 과거의 연구 노력들의 관점에서, 2개의 시각적 인지들을 분리하는 연구를 수행하고 비-컬러 효과들을 먼저 조사하는 것이 Musco의 의도였다. 따라서, 이러한 조사의 목적은 가장 최근의 조명 및 시력 과학의 관점에서 필드 관찰들에 대한 보다 합리적인 설명을 제공하는 것이었다.

방법들:

실험실의 설명:

이러한 목적들을 달성하기 위해, 기존의 경기장의 합리적 시뮬레이션을 제공하도록 실험실을 설계하였다. 종래의 광 레벨들로 조명된 240 피트 곱하기 150 피트 치수의 레크리에이션 축구장을, 시뮬레이션을 설계할 통상적인 실제 필드로서 선택하였다. 눈에서의 수직 조도 측정들은 필드에서 선수 및 측면의 관람자의 관점으로부터 이러한 대표적 필드에서 취해져서, 수평 조도의 250 내지 300 럭스의 범위에 각각 대응하는 약 150 및 60 수직 럭스의 공칭 값들을 도출하였다. 필드의 한쪽과 중간 지점에 서있는 사람이 얻은 시각적 조명 관점은 전체 시각적 입체각의 대략 3/4를 본질적으로 어둡게 하고 나머지는 필드 조명기구에 의해 조명된 뷰를 제공할 것이다.

대형 홀의 내부에 30' 폭 곱하기 20' 깊이의 시뮬레이션된 테스트 필드가 구성되고 조명되어, 긴 치수의 중간 지점에 위치되고 더 짧은 치수의 전방에 위치된 피실험자의 관점에서 시각 입체각의 약 3/4가 어두웠다. 시뮬레이션된 필드의 설계는 실제 필드 조건 시선들에 기초하였다. 도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 테스트 환경의 시뮬레이션된 필드 구성, 단면도 및 사진의 사시도를 도시한다. 필드의 시뮬레이션은 실험층의 조명된 부분만을 조명함으로써 달성되었고, 실험층은 스펙트럼 중립적인 무광택 회색 컬러로 칠해지고, 실제 필드 상에서 발생할 것처럼 피실험자의 종점 시야각에서 일치를 설정하기 위해 7.5도의 기울기를 가졌다. 어두운 부분은 실험 공간의 조명된 부분을 둘러싸도록 배치된 무광택 흑색 천을 사용하여 달성되었다.

필드 조건들을 시뮬레이션하기 위해 필요한 조도를 달성하는 것은, 실제 조건들에서 통상적으로 높은 마스트 스포츠 조명 기구들로부터 올 관측자 눈에서의 대부분의 수직 조도를 제공한 몇몇 오버헤드 설비들의 추가와 함께, 실제 스포츠 필드의 것에 근사하는 필드 조도 분포를 도출하는 실험 필드 층 평면 상의 직접 조명 둘 모두를 요구하였다. 이러한 오버헤드 설비들이 피실험체에 의해 직접 보이지 않고 피실험체 위치와 관련하여 이러한 오버헤드 설비들의 근접으로 인한 가능한 직접 눈부심을 최소화하도록 보장하는데 주의되었다(도 10a 내지 도 10e 참조).

연구를 위해, 피실험자들은 도 10c에서 보이는 바와 같이 조명된 바닥의 에지에 있는 긴 치수의 중간 지점에서 의자에 앉고, 긴 치수의 중앙과 같은 라인에서 조명된 바닥의 중간에 배치된 아이패드 미니 태블릿을 보았다. 아이패드 화면은 본질적으로 피실험자 위치로부터 약 3도의 중심와 시각 각도로 현수되었고 고정 포인트가 제공되었다. 아이패드는 고정 컬러의 시뮬레이션된 라바 램프 장면을 보여줌으로써 지루함을 줄이고 시선의 방향이 모든 피실험체들에 대해 유사할 것을 보장함으로써 느린 일시적 화면 변형들을 디스플레이하도록 설정되었다. 아이패드는 12 인치 직경의 흑색 원(도 10c 및 도 10d)의 중심에 놓였으며, 이러한 본질적으로 중심와 객체들은 함께, 실험 메타머들 사이에서 스위칭하는 경우 및 조명된 시야가 중심와를 넘어 멀리 확장하는 경우 중심 시야에서 감지될 수 있는 일시적 "맥스웰 스팟들"을 최소화하는 것을 돕는다.

조명 시스템:

실험 시설을 위한 조명은 바닥에 조명 분포가 균일하도록(10개의 설비들) 적절히 배치된 극장 설비들에 의해 제공되었고, 추가적인 5개의 설비들이 조정되어 시선 방향(DOG 조도)에서 눈의 조도, 즉, 60 및 150 럭스의 실험 값들을 달성하였다. 최대 출력에서, 대략 400 DOG 럭스의 더 높은 값을 달성하는 것이 또한 가능하였고, 일부 실험은 그 더 높은 레벨에서 수행되었다.

설비들은, 7개의 스펙트럼에서 상이한 컬러의 LED들로 구성된 60개의 Luxeon Rebel 방출기들의 어레이를 갖는 ETC Source Four LED 극장 조명기구들이었다(사진에 대한 도 10e 참조). 특정 SPS(spectral power distribution)들은, 몇몇 전체적 백색 메타머들이 상이한 S/P 함량 및 CCT 값들을 갖게 획득될 수 있도록 선택되었다(메타머 설계에 대한 아래 섹션 참조). 프로그래머블 DMX 제어기를 사용하여 LED 광 레벨 출력이 DMX 값과 선형 관계를 갖는 특정 광 레벨들 및 메타머 조합들을 산출하였다. DMX 제어기는, 결국 1초의 총 전환 시간 간격으로 밝기 인지를 위해 비교될 메타머들 사이의 신속한 스위칭을 허용하였다. 또한, 제어기는 각각 200 밀리초 간격으로 5개의 중간 메타메릭 단계들에 걸쳐 전환하여 일시적인 인지 효과들을 최소화함으로써 그 종점 값에 대한 S/P 값들에서의 점진적 시프트를 갖는 스위칭 동안 메타메리즘이 유지되도록 허용하였다.

메타머 설계:

목표는 Berman 등(1990)과 Brown 등(2012)의 이전 연구들에서 이용된 것과 같이 상이한 멜라노픽 스펙트럼 함량 또는 유사하게 상이한 S/P 스펙트럼 함량의 백색 메타머들을 생성하는 것이었다. 컬러 차이들이 동등한 포토픽 휘도에서도 밝기 인지에 기여할 것이기 때문에, 가능한 비-원추 메커니즘들을 드러내는 것은, 서로 상이한 스펙트럼 함량의 뷰잉된 장면들이 동일한 원추 자극을 갖고, 따라서 인지된 컬러가 상이한 멜라노픽 또는 동등한 S/P 함량을 갖는 것을 요구한다.

일반적으로 소스 메타메리즘은 CIE 1931 2° 또는 CIE 1964 10° 관찰자 컬러 공간과 같은 종래의 CIE 컬러 공간을 이용함으로써 결정되며, 이는 Royer & Houser(2012)에서 사용되는 절차로 표시되었다. 그러나, 문헌(Boynton 1996, Shaw 1999)에서 이전에 언급된 인지된 메타머들을 형성하는데 적용될 때 종래의 CIE 컬러 매칭 기능들에 결함들이 있다. 특히, Stockman & Sharpe(1996,1999,2000)는 이러한 결함들을 처리하는 대안적 컬러 공간을 제시하였다. 대안적 컬러 공간의 원추 기본요소들은 CIE(2006) "Fundamental chromaticity diagram with physiological axes - Part 1 Technical Report 170-1"에서 상세히 설명된다. 이러한 연구의 목적들을 위해, 메타메리즘은 메타머들에 대한 그러한 원추 기능들의 동일한 자극에 의해 획득되며, Cohen & Kappauf(1982, 1985)에 기초한 바와 같은 Vienot 등(2012)에 의해 기술된 방법론을 이용함으로써 7개의 LED 소스들에 대해 결정되었다. 이러한 구조들은 동일한 색도들의 CIE 프로토콜에 기초한 구조들에 비해 훨씬 우수한 인식된 메타머들을 제공한다.

메타머들과 연관되고 이러한 연구에서 표시된 CCT 값들은 실험 메타머들의 SPD들에 적용된 바와 같은 종래의 CIE 색도 시스템을 사용하여 계산되며 여기에서 종래의 또는 전통적인 CCT 값들로 언급됨을 주목한다. 이러한 실험 메타머들은 정확하게 동일한 CIE 색도 값들을 가지지 않으므로, 우리의 계산된 CIE CCT들은 또한 비교된 메타머에 대해 상이할 것이지만, 그렇다 해도 Stockman/Sharpe 기능들에 기초한 메타머들이 보다 동일하게 인지되므로 관찰자들은 컬러 차이들을 인식하지 못한다. 한편, Stockman/Sharpe 콘 기본요소들을 이용하는 컬러 공간에 기초한 CCT 값들이 평가되어야 하면, 그러한 대안적 CCT 값들은 그러한 기본요소들로부터 구성된 메타머들에 대해 동일할 것이다. 그림 10f는 색도 동일성으로부터의 약간의 시프트들이 표시된 종래의 색도 도면 상에서 우리의 메타머들의 위치를 도시한다.

4개의 메타메릭 쌍들은 ETC 설비들 내의 LED들의 조합을 사용하여 구성되었다. 쌍들은, 2개의 쌍들이 다른 2개의 쌍들보다 비교적 더 높은 종래의 CCT를 가지도록 설계되었으며 상이한 종래의 CCT들을 갖는 2개의 쌍들 각각 내는 S/P 값들 사이에 넓은 확산을 갖는 한 쌍 및 S/P 값들 사이에 더 작은 확산을 갖는 한 쌍이 존재하였다. 결과적 메타머들은 하기 표들 및 도면들에서 아래에 설명되어 있다.

· 표 1은 (7) LED들과 결과적 (8) 메타머들의 CIE x, y 색도 좌표들을 나타낸다.

· 도 10f는 종래의 CIE 색도 도면에서 표 1 값들의 위치들을 도시한다.

· 도 10g는 메타머들로 구성되고 표 1에 나열된 (7) LED들의 SPD들의 그래프를 도시한다.

· 도 10h는 표 1에 나열된 (8) 메타머들의 스펙트럼 그래프를 도시한다.

표 1: 7개의 LED 소스들 및 결과적 메타머들의 CIE x,y 좌표들

조명 조건들:

위에 설명된 방법을 사용하여 증분 단계들을 포함하는 각각의 메타메릭 쌍이 설정되었다. 경기장 조건들을 시뮬레이션하도록 균일성 및 DOG(Direction of Gaze) 조도 타겟들을 달성하기 위해 설비들이 배치되면, 각각의 메타머의 SPD 및 결과적 S/P 비율 및 CCT를 기록하는 광 측정들이 취해졌다. 표 2는 메타머들의 측정된 값들을 요약한다:

표 2: 조명 조건들: 수직 DOG 조도들, S/P 값들 및 CCT 값들

조명 측정들:

실험 절차 전반에 걸쳐 Gigahertz Model# BTS256-E BiTec Sensor Luxmeter를 사용하여 각각의 실험 조건에 대해 광 레벨 및 컬러 일관성이 유지되는 것을 보장하기 위한 조명 측정들이 취해졌다. 계측기는 시선 방향에서 눈에서의 수직 조명(DOG 조도) 뿐만 아니라 눈에서 수용된 스펙트럼 전력 분포들을 측정하도록 위치되었다. 취해진 각각의 조명 측정에 대해 측정된 SPD로부터 S/P 값이 계산되었다. 계측기는 모든 실험들에 대한 측정들을 기록한 컴퓨터 파일에 출력 데이터를 제공하였고 이러한 측정치들을 각각의 피실험자 및 각각의 실험에 대해 검토하였다.

일부 경우들에서, 광 측정치들의 결과들은, 기록된 값이 제로인 경우를 포함하여 원하는 상수 값으로부터 벗어난 것을 나타냈다. 데이터 분석 동안, 일부 피실험자의 데이터는 요구되는 일관성(예를 들어, 일정한 DOG 조도 또는 S/P 값들)을 충족시키지 못하였고, 그러한 피실험자들은 결국 분석에서 제외되었다. 실험들에 대한 일정한 조도 및 S/P 값들에 대한 일관성을 피실험자 분석 내 및 그 사이 둘 모두에서 검토하였다. 조명 측정치들과 관련된 실험의 설계는, 피실험자들에 의해 보고된 주관적 판단들이 실제로 조명 제어 시스템으로 프로그래밍된 조명 값들에 기초하는 것을 보장하도록 결정적인 것으로 고려되었다.

피실험자 선택:

피실험자들은, 일반적이고 정상적인 시각적 행동들을 만족하는 Musco 직원들 또는 이들의 가족 구성원들 중 지원자였지만, 안구 질환, 색맹 또는 착색된 콘택트 렌즈들과 같은 그러한 조건들이 존재한 경우 거부되었다. 또한 자격을 갖춘 피실험자는 진통제, 특히 아편 제제를 정기적으로 투약하지 않았으며 18 세 이상이었다. 그들은 또한 가벼운 수준의 변화에 대한 정상적인 동공 반응을 위해 적외선 정맥 측정기로 간략히 실험을 받았고, 그렇지 않은 경우 거부되었다. 선택된 사람들은 조명에 대한 특별한 지식 없이 본질적으로 순진하고 연구 목적을 알지 못했다. 총 57 명의 피실험자가 실험되었다. 이들 피실험자들의 분포는 다음과 같이 3개의 연령 그룹으로 나누어진다.

18 세 ~ 30 세 : 19명의 피실험자들

31 세 ~ 50 세 : 21명의 피실험자들

51 세 이상: 17명의 피실험자들

이러한 피실험자들에 대한 분석은 실험들, 즉, 1) 밝기 비교(BC); 2) 동공 크기(PS); 3) 밝기 매칭(BM) 각각에 대해 모든 조건들에 대한 실험을 완료하도록 요구하였으며, 후자는 별도의 보고서에 기술된 별도의 연구이다. 조명 측정치들을 판독하거나 동공 크기 데이터를 획득하는데 있어서 일부 장비 에러들로 인해 각각의 실험에 대해 분석된 피실험자들의 총 수가 상이하다. 연령 그룹별 및 완전한 데이터를 갖는 것에 기초한 각각의 실험에 대해 분석된 피실험자들의 총 수는 다음과 같다.

[표 3]

표 3: 연령 그룹별 최종 분석에서 피실험자들의 요약

실험 1: 밝기 비교(BC) 연구

일반론:

이 연구에서는, 표 2에 나타난 모두 9개의 조건들을 실험하였다. 4개의 모든 메타메릭 쌍들은 60 및 150 DOG 럭스에서 실험되었고, 하나의 메타메릭 쌍(쌍 2)은 400 럭스보다 훨씬 높은 레벨에서 검사되었다. 이러한 후자의 실험의 목적은, 결과들의 유사성이 가능한 로드 수용체 효과들의 부재를 합리적으로 보장하는 충분히 높은 조도 레벨에서 비교들을 검사하는 것이었다. 비교들은 광 레벨에 의해 이러한 3개의 조도 카테고리들로 분할되었다. 60 및 150 럭스 조건들에서 4개의 메타머 비교들은 각각의 조도 카테고리의 피실험자들 간에 무작위 순서로 제시되었다. 피실험자들은 2개의 장면들 사이에서 조명이 앞뒤로 스위칭된다고 통지받았고, 2개의 장면들 중 어느 것이 더 밝게 보이는지를 나타내도록 요청받을 것이다.

프로토콜:

각각의 피실험자는 아이패드 미니에 초점을 맞추어 2 분의 기간 동안 카테고리들 각각에서 제1 조건으로 적응되었다. 이어서 2개의 시청 장면들은 1 초의 전환 간격과 5 초의 관찰/결정 간격의 총 합계인 총 6 초 동안 각각의 장면에 대한 시청 시간과 번갈아 표시됩니다. 장면이 제시될 때마다 실험자는 장면을 "A" 또는 "B"라고 부르며 각각의 쌍을 3 회 반복한 후 실험자는 피실험자에게 어느 것이 더 밝은지를 보고하여 컴퓨터에 피실험자의 결정을 기록하도록 요구하였다. 피실험자들은 "차이 없음"을 선택할 수 없었다. 이로 인해 각각의 쌍에 대해 주어진 피실험자에 대한 대략적인 총 시간은 6 초 x 6 회의 프리젠테이션 + 수 초의 결정 시간으로 총 약 1 분으로 나타난다.

각각의 피실험자에 대한 광 측정들은 초기 2 분 동안 적응 기간(조건 A) 동안 이루어졌고, 그 다음 피실험자가 최종 결정을 내리기 직전에 B 조건의 세 번째 프리젠테이션 동안 다시 한 번 이루어졌다. 결정은 'A' 또는 'B'로 기록되었다. 실험자는 이름 'A' 또는 'B' 이외에 실험 중 어떤 메타머가 제시되고 있는지 통지받지 않았다.

실험 3: 동공 크기 결정:

일반론:

멜라놉신 자극이 동공 크기를 제어하는데 중요한 팩터임을 이미 입증했으므로 [McDougal & Gamlin(2010), Vienot(2010), Tsujimura(2010)], 다른 메타머들과 연관된 동공 크기 차이들이 존재할 수 있다고 예상하는 것은 합리적이었다. 앞서 언급한 밝기 인지에 대한 초기 연구는 밝기 인지들에 수반하여 동공 크기를 측정하지는 않았지만, 더 높은 S/P(또는 멜라놉신 함량)를 갖는 조명 스펙트럼들이 더 밝게 인지되었음을 나타냈다. 현재의 이해에 의해 이러한 밝기 인지들은 더 작은 동공들과 연관될 것이고, 따라서 망막 조도와 덜 연관되지만, 그럼에도 불구하고 더 밝게 인지된다. 따라서, 원래의 연구 목적들을 달성하기 위해 잠재적인 동공 크기 차이들을 조사하였다. 이는 ISCAN 적외선 동공계를 사용하여 달성되었다.

프로토콜:

피실험자 시간을 단축하고 연관된 동공 크기 차이들에 대한 질문에 대답하기 위해, 다음과 같은 4 가지 비교들을 통해 150럭스 조건에서 동공 응답들을 검사하는 것으로 충분하다고 간주되었다.

쌍 2, 낮은 S/P, 150 럭스

쌍 2, 높은 S/P, 150 럭스

쌍 1, 낮은 S/P, 150 럭스

쌍 1, 높은 S/P, 150 럭스

실험된 조명 조건들 각각에 대해 다음 프로토콜을 따랐다.

동공 지름 데이터를 기록하기 전에 각각의 메타머에 대해 3 분의 적응 시간을 제공하였다. 그 다음 피실험자는 아이패드에서 자신의 시선을 유지하도록 지시받았다. 실험자는 또한 이러한 적응 시간 동안 기가헤르츠 광 계측기로부터 광 측정들을 기록하였다. 적응 시간이 완료된 후, 동공 지름 데이터가 30 초 동안 기록되었다. 그 다음, 실험자는 조명을 다음 조명 조건으로 스위칭하고 과정을 반복하였다.

이러한 4 가지 실험들이 완료된 경우 실험자가 세션을 마감하였다. 추후에 동공 크기 거동을 분석하기 위해 수집된 데이터는 각각의 30 초의 동공계 판독치들로부터 연속적인 10 초간 깜박임없는 샘플로 구성된다.

결과들:

데이터 출력 및 분석:

각각의 피실험자에 대해 2개의 컴퓨터 데이터 파일들이 생성되었는데, 하나는 실험의 모든 단계들에 대해 기가헤르쯔 광 계측기로부터의 데이터를 캡처한 맞춤화 프로그래밍된 소프트웨어이고, 다른 하나는 ISCAN 동공계에서 동공 측정 데이터를 캡처한 것이다. 각각의 피실험자에 대한 파일들 둘 모두는 표준 포맷의 출력을 제공하여, 데이터 정렬을 위한 제3의 독립적으로 작성된 피실험자 파일 프로그램이 개발되어 이러한 2개의 파일들 각각을 가져와서 더 유용한 포맷의 데이터 요약을 제공하였다.

각각의 피실험자에 대한 데이터는, 기록된 광 레벨들 또는 S/P 값들 중 어느 것이 BC에 대한 표 2 및 또한 후속 BM 실험들에 대한 상수 값들에 비해 한계들을 벗어 났는지를 결정하기 위해 면밀히 조사되었다. 피실험자 파일은 또한 각각의 피실험자에 대해 10 초의 유효 동공계 섹션이 있었는지 자동으로 결정하였다. 이러한 데이터 검사는 실험 동안 발생한 예기치 않은 조명 변경들로 인해 어떤 데이터를 사용할 수 없는지(존재하는 경우)를 결정하는데 필요한 단계를 제공한다. 또한, 기록된 광 측정치들이 실험 파라미터들과 일치하지 않은 일부 값인 경우, 그 결과들은 실험 조건들에 기인할 수 없으므로 데이터는 신뢰할 수 없고 사용불가능한 것으로 간주된다.

데이터 분석의 결과들은, 때때로 장비의 어떠한 고장이 존재하거나 가벼운 레벨이 기록되지 않아 불완전하거나 검증되지 않은 데이터를 생성하는 것으로 결론지었다. 다음 기준은 그 데이터를 제외하기 위한 사전 조건으로 채택되었다.

BC 실험에 대한 제외들:

· 미리 설정된 A 또는 B가 부주의하게 0 조도 값을 기록한다

· 미리 설정된 A 또는 B가 기준 광 레벨(60, 150 또는 400 럭스)과 현저히 상이하였다

· 임의의 측정된 S/P 값은 프로그램된 값과 0.05 이상만큼 상이하였다.

동공계에 대한 제외들:

· BC와 BM 데이터가 제외된 그러한 경우들에 대해 동공계 데이터가 제외된다.

· 측정된 광 레벨 및/또는 S/P 값은 후속 BM 측정 값들에 사용된 상관 측정된 광 레벨들과 현저히 상이하였다.

· 연속적인 10 초의 깜박임 없은 기간의 동공계 데이터는 발견될 수 없다.

이러한 제외들을 적용한 결과는 BC 실험들에 대한 47 명의 피실험자 및 동공계 측정들에 대한 40 명의 피실험자들에 대한 유효 데이터를 제공하였다.

밝기 비교 요약:

밝기 비교 연구에서 종속 변수는, 더 높은 S/P 소스가 낮은 S/P 소스와 비교하여 더 밝게 선택되는 빈도이다. 표 2에 제시된 9 가지 조건들 및 3 개의 연령 그룹들, 즉 18-30 세, 31-50 세 및 51 세 이상에 걸쳐 확산된 총 423 회의 실행이 있었다. 각각의 연령 그룹의 피실험자들의 수는 각각 17 세, 16 세 및 14 세였다. 결과들은 전체 인구의 관점에서 그리고 S/P 비율들, 눈의 조도 및 피실험자들의 연령의 함수로서 분석될 수 있다.

모든 조건들에 대한 실험은 S/P 비율 차이의 효과가 존재함을 확인하였다. 더 높은 S/P 소스는 423개의 실행들 중 375개에서 더 밝은 소스로 인지되었다. 확률의 비편향 추정은 88.5 % ± 1.5 %이다(n = 더 밝은 것의 수, N = 총 실행 수, 평균 =

, SE =

. 실제 평균이 50 % 일 확률은 10^-135 정도이므로, S/P 비율이 밝기에 영향을 미친다는 주요 가설이 본 연구에서 확인되었다.

결과들은 모든 연령 그룹들에 대해 매우 중요했으며, 다소 예기치 않게 가장 나이많은 그룹이 더 높은 S/P 스펙트럼에 대해 다소 더 높은 퍼센티지를 가졌다. 언급한 바와 같이, 실험은 또한 400개의 수직 럭스의 높은 값에서 수행되었으며, 유사한 결과들이 획득되어 가능한 로드 수용체의 과도 현상들로 인해 측정된 효과들이 거의 없을 것이라는 결론에 이르렀다. 결과들의 요약은 표 4에 나열되어 있다.

다양한 피실험자 실행들에 대한 S/P 및 조도 둘 모두의 가변성은 매우 낮았다. 실행 내 S/P의 최대 변동은 5 %였고, 실행들에 대한 S/P 값들의 표준 편차는 평균 1 %였다. 이러한 변동들은 소스들 사이의 S/P의 차이들에 비해 상대적으로 작다.

조도들의 최대 변동은 4 % 미만이었다. 각각의 실행에서 낮은 S/P 소스에 대한 평균 DOG 조도는 더 높은 S/P 소스의 DOG 조도보다 0.3 % 더 높았다. 더 높은 S/P 소스는 실행들의 오직 21 %에서만 더 높은 포토픽 조도를 가졌고, 최악의 경우의 초과는 오직 1.9 % (59 럭스에서 1.1 럭스)였다. 이러한 결과들은 가설의 반대 방향이며, 따라서 교란 조건의 존재를 나타내지 않는다.

표 4: 밝기 비교(BC) 실험으로부터의 요약 결과들

낮은 및 높은 CCT 값들에 대한 메타머들을 구성하기 위해 사용된 방법론으로 인해, 밝기 비교들에서 CCT 효과에 대한 비편향 추정을 수행할 수 없었다.

동공 크기 결과 요약:

동공 크기들은 150 럭스에서 4 가지 조건들에 대한 BC 실험들을 완료한 47 명의 피실험자들 중 40 명에 대해 성공적으로 측정되었다. S/P 값들에서 넓은 확산(비율 H/L =1.91)에 대해, 40 명의 피실험자들 중 37 명은 더 높은 S/P 값에 대해 더 작은 동공들을 나타냈고, 작은 확산(S/P= 1.44)에 대해, 32 명의 피실험자들은 더 높은 S/P 값에 대해 더 작은 동공들을 나타냈다. 이러한 결과들은 평균적으로, 다른 동공 크기 측정들 Berman et al (1992), MacDougal & Gamlin (2010), Tsujimura et al (2010), Vienot (2010)의 것들을 확인하고, 동공 크기가 시청된 스펙트럼의 S/P 또는 멜라노픽 함량에 의해 영향받음을 추가로 입증한다. 이러한 결과들은 또한, 더 높은 S/P 스펙트럼에 대해 (더 작은 동공 크기로 인해) 포토픽 망막 조도가 더 낮은 경우에도 더 높은 S/P 스펙트럼이 더 밝게 인지됨을 나타낸다.

논의:

조명된 전 시야의 대략 1/4인 시뮬레이션된 경기장 조건들의 경우, 18 세에서 60 세까지 연령 범위의 47 명의 피실험자들로부터 신뢰할 수 있는 데이터는 인지된 밝기에 매우 현저하고 명확한 영향을 분명히 나타냈다. 이들은 상이한 스펙트럼 함량의 백색 메타메릭 조명들을 비교하는 총 423개의 기회들을 가졌으며, 눈의 포토픽 조도가 불변인 경우에도 88 % 더 밝은 것으로 인지될 더 높은 S/P(또는 더 높은 멜라노픽) 함량의 스펙트럼을 선택하였다. Cohen & Kappauf 방법론의 적용과 함께 Stockman-Sharpe 원추 스펙트럼 감도들의 사용에 의해 제공된 메타메리즘은 대부분의 피실험자들에 의해 거의 검출될 수 없는 컬러 차이들을 갖는 많은 백색 메타머들의 구성을 허용하였다. 이러한 방식으로, Royer & Houser(2012)와 같은 다른 연구들에서, 특히 S/P 값들의 차이가 작을 때 발생할 수 있는 비교들에서 컬러 혼란들의 가능성이 크게 감소되었다.

우리의 결과들은, 백색 조명에 대해 그리고 조명된 시야가 여분의 중심와인 경우, 포토픽 조도가 감지된 밝기의 고유한 예측자가 아니며 S/P 값에 의해 설명된 바와 같은 스펙트럼 함량이 또한 필수적 디스크립터임을 명백하게 입증한다. 또한, 여기에서 수정된 조건들 하에서 획득된 이러한 결과들은 Berman 등(1990) 및 Brown 등(2012)의 초기 결과들을 보완하고 연장한다. 여기에 사용된 메타메리즘이 정확한 범위까지, 평가된 비교들은 동일한 원추 자극들에 기초하며, 따라서 판단 차이들은 S-원추 효과와 같은 임의의 단일 원추 수용체 응답의 우세와 연관될 수 없다.

아마도 밝기 인지들에 대한 기본 메커니즘은 망막 멜라놉신 수용체들의 동작 결과이며(Hattar 등 2002), 이의 스펙트럼 거동은 다색 광원들에 의해 자극된 경우 그러한 소스들의 스코토픽 대 포토픽 S/P 함량의 비율과 매우 상관되어 [Berman (2008), Berman & Clear (2008,2014)] S/P 값을 멜라놉신 함량에 대함 마커로서 허용한다. 이러한 높은 상관 정도는 Berman & Clear (2014)로부터 취해진 아래의 도 10i에 도시되어 있다.

이러한 연구의 인지된 밝기 차이들은 수 초의 매우 짧은 노출 시간에서 관찰되어 메모리 부하에 대한 의존도를 감소시킨다. 이용된 스위칭 프로토콜 및 메모리의 모호함 때문에, 이러한 밝기 인지의 오랜 안정성에 대한 정확한 추정은 본질적으로 배제된다. 멜라놉신 수용체들이 기본 메커니즘인 Do 등(2010)인 경우, 자극 망막 경로들의 활동 시간은 멜라놉신 수용체들에 대한 전형적인 반응 시간을 설명하는 것으로 주장된 사후 조도 동공 반응(PIPR)과 연관된 시간 경과보다 훨씬 짧을 것이다 (McDougal & Gamlin, 2010). 우리의 메타머들이 진실이고 로드 수용체들이 기본 메커니즘이 아니라는 범위까지, 우리의 결과들은 신속한 멜라노픽 관련 반응의 가능성을 나타낸다 (Peirson 등(2009)).

이러한 밝기 효과의 크기와 관련된 조명 공학에 대한 잠재적인 실용적이고 경제적인 결과들은 밝기 매칭의 후속 연구에서 평가된다.

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E. IES#2 (보충 정보)

밝기 매칭은 S/P 값들과 조도 레벨 사이의 절충을 결정한다.

Bradley Schlesselman, Myron Gordin, Larry Boxler¹, Jason Schutz, Sam Berman², Brian Liebel², Robert Clear²

Musco Sports Lighting, LLC, 100 1^st Avenue West, Oskaloosa, Iowa 52577

요약:

이전의 밝기 비교 연구(BC Study, Schlesselman 등 2015)에서, 시뮬레이션된 경기장의 밝기 인지 비교들은 광도적으로 동일하고 일정한 컬러 조명(메타머들)에 대해 그러나 S/P 비율에 의해 측정되는 바와 같이 상이한 멜라노픽 함량에 대해 평가되었다. 그 연구에서, 피실험자들은 더 높은 S/P 값을 갖는 조명을 더 밝게 보이는 것으로 압도적으로 판단하였다. 이러한 비교 연구에서, 3세대의 그룹들(18-30 세, 31-50 세 및 50 세 초과)로 구성된 이전의 연구를 완료한 40 명의 피실험자들이, 조명된 "필드" 및 실제 경기장을 시뮬레이션한 어두운 주위 둘 모두의 쌍안 및 방해받지 않은 뷰를 제공하는 시뮬레이션된 경기장의 에지 및 중간에 위치된 의자에 앉았다. 피실험자들에게 광 레벨들을 조정하여 인지된 밝기의 동일성을 달성하는 수단이 제공되었다. 조도 레벨들은 경기장에서 관람자들 및 수행자들에 대해 측정된 것들에 대응하는, 시선 방향에서의 눈 높이에서 60 및 150 수직 럭스였다. 피실험자들은 조명에 특별한 지식이 없으며 연구 목적을 알지 못하는 Musco 직원들 또는 그 가족이었다. 조명은, 메타머들의 4개의 쌍들을 형성하도록 결합된 다수의 상이한 컬러화된 LED 소스들을 갖는 극장 조명기구들을 활용하였고, 각각의 쌍은 다른 것에 비해 비교적 높은 S/P 비율을 갖는 1 메타머로 구성되었다. 2개의 쌍들은 다른 2개의 쌍들보다 비교적 더 높은 공칭 CCT 값들을 가지며, 메타머들의 각각의 CCT 세트 내에서, 하나의 쌍은 높은 및 낮은 S/P 비율 메타머 사이에 넓은 확산을 갖는 한편, 다른 한 쌍은 S/P 비율 사이에 비교적 더 작은 차이를 가졌다. S/P 값들은 대략 1.2부터 4까지 범위였고, 비교된 쌍에 대한 S/P 값들 사이의 차이는 0.72 내지 1.86으로 상이하였다.

종래의 CCT 값들은 공칭 2700K부터 6700K까지 범위였다. 동등한 밝기 인지의 조건을 달성하기 위해, 피실험자는 2개의 조명들이 동일한 밝기로 보이는 레벨을 선택하기 위해 수동 디밍 제어 슬라이더로 광 레벨을 높이거나 낮춤으로써, 주어진 메타메릭 쌍(높은 S/P 또는 낮은 S/P 소스로 무작위로 선택됨) 내의 조명 조건들 중 하나의 레벨을 조정하는 반복된 기회들을 부여받았다. 이 실험은 4개의 메타메릭 쌍들 각각에 대해 2개의 광 레벨들(60 & 150 럭스)에서 수행되었다. 이러한 실험에서, 40 명의 피실험자들 중 92 %는 더 높은 S/P 조명의 포토픽 레벨을 낮추도록 선택하여 밝기 인지의 동일성을 달성하였다. 전반적으로, 높은 S/P 소스는 320 번의 실행 중에서 293 번 낮은 S/P 소스보다 더 낮은 광 레벨로 설정되었고, 이는 10^-151의 기회 발생 확률을 갖는다.

광 레벨 감소량은 밝기 인지의 포토픽 조도 P에 대한 의존도를 팩터 P(S/P)ⁿ만큼 증가시키는 것을 초래한다고 결정되었다. 지수 n은 데이터로부터 경험적으로 n = 0.436 ± 0.017로 결정되었다.

각각의 메타메릭 쌍 내에서 종래의 CCT의 역할이 또한 조사되었으며, 통계적으로 유의미한 효과가 없는 것으로 나타났다.

조명 공학에 대한 실제 애플리케이션들의 관점에서, 이러한 결과들은, 시야의 오직 일부만이 조명되는 야간 환경에서도 동일한 밝기 인지를 유지하면서, 비교적 낮은 S/P 값들을 갖는 소스들을, 예를 들어, 더 높은 S/P 값들이 가능한 LED 소스들로 대체함으로써 상당한 에너지 절감이 달성될 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, S/P = 1.4의 일반적인 MH 소스를 사용하는 조명된 경기장에서 S/P = 2.4의 LED 소스로 교체하는 것은 동일한 인지 밝기 원리에 기초하여 25 %의 광 레벨 감소 가능성을 도출할 것이다. 이러한 특징은 스포츠 조명 애플리케이션들을 위한 설계 고려사항이어야 하는 충분한 크기이다.

배경기술:

이전의 연구 Berman 등(1990), Brown 등(2012), Royer & Houser(2012)는, 동일한 컬러의 그러나 상이한 스펙트럼 함량의 그리고 또한 동일한 포토픽 휘도(메타머들)를 갖는 전체 시야 조명들의 조건들에서, 동일하게 밝은 것으로 인지되지 않음을 나타냈다. 이러한 관찰들에 대한 현재의 이해 [Brown 등(2012), Ecker 등(2010), Lucas 등 2014]는 눈의 망막에 넓게 분포된 비-이미지 형성 멜라놉신 광수용체의 반응들의 결과일 가능성이 높고, 그 스펙트럼 응답들은 포토픽 휘도의 결정에 포함되지 않는다. 따라서, 밝기 인식의 주어진 레벨을 달성하기 위해 멜라노픽 함량과 포토픽 광 레벨 사이의 절충이 존재할 수 있음을 예상하는 것이 합리적이다. 이러한 절충의 정량적 양상은 이전 연구들에서 조사되지 않았고, 이와 같이 현재 연구의 주요 목적이다.

방법들:

실험은 밝기 비교들에 대한 BC 연구와 동일한 방에서 이루어졌다 (Schlesselman 등 2015). 시뮬레이션된 경기장은 대형 홀 내부에 건설되었으며 30x20 피트(폭 및 길이)의 치수를 갖는다. 현실적인 스포츠 조명 상황을 시뮬레이션하기 위해, 더 긴 치수의 중간 지점에 위치되고 더 짧은 치수의 전방에 위치된 피실험자의 관점에서 시각 입체각의 약 3/4가 어둡도록 조명되었다. 도 10a, 도 10b 및 도 10c는 각각 테스트 환경의 시뮬레이션된 필드 구성, 단면도 및 사진의 사시도를 도시한다. 필드의 시뮬레이션은 실험층의 조명된 부분만을 조명함으로써 달성되었고, 실험층은 스펙트럼 중립적인 무광택 회색 컬러로 칠해지고, 실제 필드 상에서 발생할 것처럼 피실험자의 종점 시야각에서 일치를 설정하기 위해 7.5도의 기울기를 가졌다. 어두운 부분은 실험 공간의 조명된 부분을 둘러싸도록 배치된 무광택 흑색 천을 사용하여 달성되었다.

피실험자의 눈에서 필요한 조도를 달성하는 것은, 실제 조건들에서 통상적으로 높은 마스트 스포츠 조명 기구들로부터 올 관측자 눈에서의 대부분의 수직 조도를 제공한 몇몇 오버헤드 설비들의 추가와 함께, 실제 스포츠 필드의 것에 근사하는 필드 조도 분포를 도출하는 실험 필드 층 평면 상의 직접 조명 둘 모두를 요구하였다. 이러한 오버헤드 설비들이 피실험체에 의해 직접 보이지 않고 피실험체 위치와 관련하여 이러한 오버헤드 설비들의 근접으로 인한 가능한 직접 눈부심을 최소화하도록 보장하는데 주의되었다(도 10d 참조).

연구를 위해, 피실험자들은 도 10c에서 보이는 바와 같이 조명된 바닥의 에지에 있는 긴 치수의 중간 지점에서 의자에 앉고, 긴 치수의 중앙과 같은 라인에서 조명된 바닥의 중간에 배치된 아이패드 미니 태블릿을 보았다. 아이패드 화면은 본질적으로 피실험자 위치로부터 약 3도의 중심와 시각 각도로 현수되었고 고정 포인트가 제공되었다. 아이패드는 고정 컬러의 시뮬레이션된 라바 램프 장면을 보여줌으로써 지루함을 줄이고 시선의 방향이 모든 피실험체들에 대해 유사할 것을 보장할 것을 도움으로써 느린 일시적 화면 변형들을 디스플레이하도록 설정되었다. 아이패드는 12 인치 직경의 흑색 원(도 10c 및 도 10d)의 중심에 놓였으며, 이러한 본질적으로 중심와 객체들은 함께, 실험 메타머들 사이에서 스위칭하는 경우 및 조명된 시야가 중심와를 넘어 멀리 확장하는 경우 중심 시야에서 감지될 수 있는 일시적 "맥스웰 스팟들"을 최소화하는 것을 돕는다.

조명 시스템 및 메타머들의 구성은 우리의 이전 연구(Schlesselman 등 2015)에서와 동일하며 그 곳에서 상세히 설명되었다. 우리의 이전의 연구에서와 같이 비교된 조명들의 동등한 컬러를 달성하는 것은, CIE 삼자극치(tristimulus) 값들의 동일성에 의해서가 아니라 Stockman 원추 기본요소들(Stockman 등 1999.2000,2006, CIE 2006)을 이용하는 것을 통해 달성된 3개의 망막 원추들의 동일한 여기를 보장함으로써 달성된다. 메타머들은 Cohen & Kappauf(1982, 1985) 및 Vienot 등(2012)에 의해 설명된 방법들을 사용하여 구성된다.

이전 연구에서 사용된 것과 동일한 7개의 LED 소스들 및 4개의 메타메릭 쌍들이 또한 이러한 연구를 위해 사용된다. 이러한 메타머들의 CIE 색도 값들은 도 10h에서 이들의 스펙트럼 전력 분포들과 함께 아래의 도 10f에서 도식적으로 도시되어 있다.

표 5: 조명 조건들: 수직 DOG 조도들, S/P 값들 및 CCT 값들

조명 측정들:

실험 절차 전반에 걸쳐 각각의 실험에 대해 광 레벨 및 컬러 일관성이 유지되는 것을 보장하기 위한 조명 측정들이 취해졌다. 광 계측기(Gigahertz Model# BTS256-E BiTec Sensor Luxmeter)가 또한 매칭된 밝기 조건에 대한 최종 광 레벨 판독치를 기록하였고, 광원들이 디밍되는 동안 컬러 일관성이 유지된 것을 보장하기 위해 필수적 판독치들을 제공하였다. 계측기는 시선 방향에서 눈에서의 수직 조명(DOG 조도) 뿐만 아니라 눈에서 수용된 스펙트럼 전력 분포 곡선들을 측정하도록 위치되었다. 취해진 각각의 조명 측정에 대해 측정된 SPD로부터 S/P 값이 계산되었다. 동일한 계측기는 모든 실험들에 대한 측정들을 기록한 컴퓨터 파일에 출력 데이터를 제공하였고 이러한 측정치들을 각각의 피실험자 및 각각의 실험에 대해 검토하였다.

피실험자들:

이전 밝기 비교 연구에 참여한 사람들과 동일한 피실험자들이 밝기 매칭에 참여하였다.

30 세 미만의 16 명, 및 다른 2개의 연령 그룹들에서 각각 12 명인 총 40 명의 피실험자들이 밝기 매칭을 완료하였다.

밝기 매칭 프로토콜들: 일반론:

BC 연구에서와 동일한 조명 조건 세트를 사용하여, BC 실험의 고정된 'A' 조명 조건에 매칭하도록 'B' 조건의 광 레벨을 조정하기 위한 목적을 갖는 수동 슬라이더 제어가 피실험자들에게 제공되었다. 피실험자들은 2개의 장면들이 동일하게 밝게 보이도록 슬라이더를 조정하라고 지시받았다.

특정 프로토콜:

매칭을 구현하기 위해, 실험자는, 2개의 장면들이 밝기에서 동일하다고 피실험자가 판단할 때까지 장면 B의 광 강도를 조정하여 장면 A(고정)의 밝기와 매칭하도록 슬라이더를 이동시켜야 한다고 피실험자들에게 지시하였다. 고정된 조도의 장면은 높거나 낮은 S/P 조건으로 무작위로 선택되었다. 피실험자들이 원하는 만큼 여러번 광 레벨을 추가로 조정할 수 있도록, 피실험자는 장면들 사이에서 앞뒤로 스위칭하도록 실험자에게 요청하도록 허용되었다. 피실험자들은 스위칭 이후 짧은 시간 기간(1 초에 가까우며 5 초 이하)에 일관성을 판단하도록 시도하라고 지시받았다. 동일한 밝기를 달성한 후, 실험자는 피실험자에게 동일한 밝기 설정을 확인하기 위해 각각의 장면을 5 초 동안 제시한다. 피실험자는 더 긴 노출 하에서 조건들을 시청한 후 마음이 변하면 최종 수정이 허용되었다. 실험자는 적절한 버튼 누름으로 결과적으로 DOG 조도 동일성 레벨을 기록하였다.

이러한 프로세스는 7개의 나머지 쌍들 각각에 대해, 광 레벨 내에서 각각의 새로운 쌍 사이의 30 초의 적응 시간, 60으로부터 150 Lux로의 광 레벨 변화들 사이(실험 4와 실험 5 사이)에서 5 분의 휴식으로 반복되었다. 이를 달성하기 위한 피실험자 시간은 기껏해야 대략 30 분이었다. 각각의 피실험자 및 각각의 조건에 대한 광 측정치들이 기록되었다.

밝기 매칭(BM) 결과:

이러한 실험은 광원들의 제한들로 인해 400 럭스 조건을 사용하지 않는 것을 제외하고는 BC 실험과 동일한 조건 세트들을 이용하였다. 따라서, 위의 표 5에서 나타난 바와 같이 8개의 상이한 조건들(60 럭스에서 4개, 150 럭스에서 4개)이 존재하였다. 40 명의 피실험자들 중 39 명은 BC 연구에 참여한 피실험자들과 동일했으며, 1 명의 추가 피실험자는 광 레벨들을 기록하지 못하여 BC 실험에서 제외된 피실험자이다.

모든 피실험자들이 더 높은 S/P 소스에 대해 더 낮은 조도를 선택하는 것은 아니었고, 이러한 반전은, 2개의 메타머들 사이의 S/P 비율들에서의 차이가 가까웠던 경우 더 두드러졌다. 그러나 최악의 경우들(HS-60 및 HS-150)에서도 40 명 중 33 명은 높은 S/P 소스에 대해 더 낮은 조도를 사용하였다. 이것이 우연히 발생할 확률은 0.002 %이다. S/P 값들에서 확산된 폭의 경우 최악의 경우는 40 명 중 37 명이었고 최상의 경우는 40 명 중 40 명이었다. 따라서, 더 낮은 S/P 소스들의 인지된 밝기를 달성하기 위해 더 높은 S/P 소스들은 더 적은 조도를 요구한다는 명확한 표시가 있었다. 결과들의 요약은 아래의 표 6에 주어진다.

표 6: 밝기 매칭(BM) 실험으로부터의 요약 결과들.

밝기 매칭 연구의 통계적 분석:

40 명의 피실험자들은 실험 광의 밝기를 기준 광의 밝기에 매칭하도록 조정하였다. 광들은 컬러에서 메타메릭이었지만, 이들의 S/P 비율들에서 상이하였다. 각각의 피실험자는 눈에서 2개의 기준 조도 레벨들, 60 및 150 럭스, 및 S/P 비율들의 4개의 상이한 세트들을 커버하는 8개의 매칭들을 수행하였다. 조도 범위를 400 럭스까지 확장하려 시도되었지만, 장치는 모든 피실험자들에 대한 밝기 매칭들을 허용할만큼 충분한 조도 범위를 갖기 않았고, 따라서 이러한 시도는 중단되었으며 추가 분석으로부터 400 럭스 데이터가 삭제되었다. 피실험자들은 밝기 비교 연구에서와 같이 연령 그룹들로 그룹화되었고, 연령 그룹들에서의 수는 각각 16, 12, 12였다.

8 개의 실행들에 대한 2개의 소스들에 걸친 S/P 값들의 평균 비율은 1.44에서 2.13의 범위였다. 실행 내 평균 비율의 최대 편차는 2 %였다. 밝기 매칭 실험에서의 종속 변수, 즉 동일한 밝기 인지에 대한 포토픽 조도들의 비율은 연속 변수이며, 최소 자승 피팅에 적합하다. 우리는 S/P 비율들에 대한 피팅이 (표준 XYZ 공간에서 컴퓨팅된 것과 같은) CCT에 대한 피팅보다 분산을 더 많이 설명하고 따라서 결과들에 대해 선호되는 설명임을 발견하였다. 우리는 마지막으로 이러한 메타메릭 매칭들에서 S/P와 CCT 사이에 어떠한 상호작용도 없어 보이는 것을 나타낸다.

BC 연구(Schlesselman, 2015)는 피실험자들이 높은 S/P 소스를, 눈의 동일한 조도의 낮은 S/P보다 덜 밝은 것으로 통계적으로 유의미한 레벨에서 선택했음을 보여주었다. 이러한 밝기 매칭(BM) 실험에서 이것은, 피실험자가 낮은 S/P 소스보다 높은 S/P 소스에 대해 눈에서 더 낮은 조도를 선택하는 것으로 해석해야 한다. 각각의 피실험자에 대해 8번의 실행들에 있어서, 40 명의 피실험자들 중 32 명은 통계적으로 유의미한 레벨에서(8 회 실행들 중 7 회) 낮은 S/P 소스보다 높은 S/P 소스에 대해 더 낮은 조도를 선택하였다. 오직 한 명의 피실험자만이 선호도를 나타내지 않았다(4/8). 피실험자들에 대해 평균했을 때, 최악의 경우들은 높은 S/P 소스 대 낮은 S/P 소스에 대한 S/P 비율이 1.44인 2 번의 실행들에 대한 것이었다. 이러한 2 번의 실행들의 경우에도, 40 명의 피실험자들 중 33 명이 긍정적인 결과를 가졌다(P = 0.002 %). 전반적으로, 높은 S/P 소스는 320 번의 실행 중에서 293 번 낮은 S/P 소스보다 더 낮은 광 레벨로 설정되었고, 이는 진정한 확률이 50%이면 10^-151의 발생 확률을 갖는다.

밝기 매칭 연구에서 40 명의 피실험자들 중 39 명은 또한 동일한 기준 조건들의 세트를 사용하여 BC 연구에 대한 완전한 데이터를 갖는다. 두 연구들의 비교는 BC 연구에서 결과들의 다양성을 강조한다. BC 연구에서 312개의 매칭 실행들 중 26 개는 낮은 S/P 소스가 높은 S/P 소스보다 밝다고 판단되어 부정적인 결과를 갖는다. 등가 밝기 매칭 실험에서, 이러한 조건들 중 9 개만이 높은 S/P 소스에서 더 높은 럭스 레벨을 요구한다는 부정적 결과의 밝기 매칭을 초래하였다. BC 결과들은 평균 밝기 매칭 조도들에서의 차이를 예측하였다. 부정적 밝기 비교를 갖는 26 개의 조건들은 1.036의 낮은 S/P 소스 대 높은 S/P 소스의 평균 조도 비를 가졌다(이는 약간 긍정적 결과이다). 긍정적인 밝기 비교를 사용한 286 회의 실행은 밝기 매칭에 대한 1.29의 조도 비율을 가졌고, 이는 매우 긍정적인 결과이다.

밝기 인지에 대한 모델:

효과가 존재했음을 입증한 것 이외의 BM 연구의 주요 포인트는 단순한 밝기 의존 모델에서 S/P 지수를 식별하는 것이었는데, 즉,

여기서 "밝기 루멘" Bbr은 단순한 형태:

를 갖는다.

BM 연구에서, 기준 소스 B1의 밝기는 실험 광원 B2의 동일한 밝기를 달성하도록 조정된다. r = S/P라 하면, 조도들의 비율의 로그는 상수 n과 S/P 비율들의 비의 로그를 곱한 값:

과 동일하다. n에 대한 최소 제곱 피팅은 n = 0.436 ± 0.017의 값을 제공한다.

이러한 결과는 BM 실험을 위한 주요한 양적 결정이다.

지수는 약간 더 작지만, 전체 시야가 조명되었고 지수가 대략 0.5로서 결정된 조건들에서 수행된 Berman 등(1990)의 초기 연구에서 결정된 것에 상당히 가깝다.

피실험자의 나이는 BC 연구에서 유의미하였다. 나이와 밝기 지수의 상호작용을 실험하였다. 젊은 피실험자들의 경향이 더 낮은 지수를 갖는 것으로 보이더라도, 결과는 P = 30 % 레벨에서 통계적으로 유의미하지 않았다. 그러나, 피실험자와 지수의 상호작용에 대한 유사한 실험은 P <0.01 % 레벨에서 유의미하였다. 피실험자 상호작용 항목을 추가하는 것은 피팅에 의해 설명되는 분산의 양을 17 %에서 47 %로 증가시켰고 지수의 표준 에러를 0.015로 약간 감소시킨다. 피실험자들의 지수는 0.061에서 0.0.922의 범위였고 0.185의 평균에 대한 표준 편차를 갖는다. 표준 편차는 피실험자들 사이의 S/P 비율에 대한 감도에서 실제 변화를 반영하는 것으로 나타남을 주목한다.

BC 연구에서 S/P 값은 또한 통계적으로 유의미했지만, S/P 지수의 관점에서 데이터의 분석 시에 이러한 효과의 대부분이 포착되어야 한다. 조도 레벨은 밝기 비교 연구에서 통계적으로 유의미한 효과가 아니었다. BM 연구를 위한 지수 분석에서 팩터들 둘 모두가 거부된다.

CCT의 효과가 있는가?

높은 CCT 대 낮은 CCT 실험들에서 계산된 S/P 지수의 차이를 찾음으로써 S/P와 컬러 온도 사이의 상호작용이 있는 가능성을 조사하였다. 조도들에 매칭하는 피실험자 비교 내의 A 및 대략적 S/P 비율들은 높은 CCT 실행과 낮은 CCT 실행 사이에서 160개의 차이들을 제공했다. 높은-낮은 CCT의 차이는 0.013 ± 0.034로 통계적으로 유의미하지 않았다. 따라서, 이러한 메타메릭 매칭들에서 밝기의 인지에서 CCT와 S/P 사이의 상호작용이 존재했다는 가설을 거부하였고, 밝기 매칭 연구에서 CCT의 어떠한 유의미한 효과도 없다고 결론지었다.

리멘 실험: (밝기를 매칭하는 피실험자 인지 능력 실험)

설명:

리멘 실험의 목적은 두 가지로서, 첫번째는 장비가 적절히 기능하고 있는지를 체크하는 것이고, 두번째는 BM 실험을 성공적으로 완료한 40 명의 피실험자들의 그룹의 인지 능력 레벨을 평가하는 것이다. 이것은, 하나의 조건이 동일한 밝기를 갖는 것으로 보이도록 조정될 수 있음을 피실험자가 얼마나 잘 말할 수 있는지이다. 밝기 인지의 동일성을 위해 교번하는 장면들을 매칭하는 이러한 능력을 평가하기 위해 리멘 실험이 수행되었다. 이러한 경우, 2개의 교번하는 장면들에 대한 조명은 2.12의 공칭 S/P 값을 갖는 동일한 스펙트럼 함량을 갖지만, 여기서 상이한 DOG 조도의 실험 조명은 고정된 조도의 표준 장면과 비교될 때 동일하게 밝게 보이도록 슬라이더를 갖는 피실험체에 의해 조정되었다. 초기 조건에서 실험 조명은 표준 장면보다 20 % 더 높거나 20 % 더 낮았으며 연속적인 피실험자들 사이에서 교번되었다. 그 다음, 피실험자들은 밝기 인지에서 매칭될 때까지 슬라이더로 실험 조도 레벨을 조정하였다. 실험은 60 및 150 럭스의 2 가지 표준 레벨들에서 수행되었다.

상세한 프로토콜은 BM 실험에서와 본질적으로 동일하였고 다음과 같다. 피실험자는 아이패드 미니에 초점을 맞추도록 지시받고 2개의 표준 레벨들 각각에 대해 2 분 동안 기준 조도인 광 조건 장면 A에 대해 적응하도록 허용되었다. 이러한 기간이 완료된 후 실험자는 장면 A와 B 사이에서 교번하였고, 피실험자는 슬라이더 디머(dimmer)를 사용하여, 장면 B를 장면 A와 동일하게 느끼는 레벨까지 조정하였다. 장면 B의 광 레벨은 20 %의 증가 또는 감소되어 그리고 각각의 연속적인 피실험자에 의해 교번하는 증가되거나 감소된 값으로 설정되었다.

피실험자는 실험자에게 장면 A(고정된 광 레벨)와 장면 B(조정가능한 광 레벨) 사이에서 앞뒤로 스위칭하도록 요청할 수 있으며, 스위칭에 후속하는 짧은 시간 기간(1 초에 가깝고 5 초 이하) 내에 피실험자가 동일성을 판단하려 시도해야 함이 리마인드되었다.

동일한 밝기 인지를 달성한 후, 실험자는 5 초 동안 각각의 장면을 제시하였고 피실험자에게 동일한 밝기 설정을 확인시켰다. 피실험자는 더 긴 노출 하에서 조건들을 시청한 후 최종 변화를 원하면 최종 수정이 허용되었다. 그 다음, 실험자는 적절한 버튼 누름으로 결과적으로 동일한 광 레벨을 기록하였다.

리멘 실험 결과들:

기준 조명과 실험 조명의 S/P에서의 평균 차이는 60 럭스 소스의 경우 0.14 % ± 0.13 %이고 150 럭스 소스의 경우 0.06 % ± 0.08 %였다. 최대 차이는 각각 0.5 % 및 0.6 %였다.

한 명의 피실험자는 70 % 이내에서 매칭을 행하지 못했으며 추가로 모든 밝기 매칭 실험들을 완료할 수 없었다. 이 피실험자는 분석에 포함되지 않았다. 나머지 피실험자들 중 최대 리멘은 20 %인 한편, 전체 피실험자 평균 리멘은 실험 조도의 0.7 % ± 1.2 % s.e.였다. 따라서, BM 연구 결과들은 약 20%에 이르는 선택된 감소들이 신뢰가능한 것으로 그리고 실험 조건들이 이들의 인지 능력을 넘음으로써 초래되는 임의적이 아닌 것으로 고려될 수 있고, BM 실험에서 획득된 그러한 차이들이 피실험자들의 능력들 내에 있다고 타당하게 확신할 수 있다.

논의:

밝기 매칭의 목적은 S/P 값들이 상이한 경우 인지 동일을 생성할 포토픽 조도의 조정된 레벨들을 결정하는 것이었다. 이 데이터는 8개의 상이한 조명 조건들에 의한 40 명의 피실험자들에 대해, 이들은 평균적으로, 83 %에서 99 %까지 범위의 조건에 따라 시도들의 92%에 대해 더 높은 S/P 스펙트럼의 광 레벨을 낮추도록 선택하였다. 따라서, 우리는 조도와 S/P 값 사이에 절충이 존재한다고 결론 짓는데, 즉, 더 높은 S/P 값을 갖은 스펙트럼이 비교 연구에서 더 밝게 인지되었기 때문에, 그 포토픽 조도는 인지 동일을 제공하는 경험적으로 결정된 양만큼 낮아질 수 있다.

이러한 결과는 주어진 양의 포토픽 조도 차이와 S/P 값의 연관된 차이 사이에 정량적 관계가 있어야 함을 의미한다. 이러한 관계를 평가하기 위해, 밝기 인지의 전통적인 휘도 의존성을 따르는 Berman 등(1990)에 의해 소개된 단순한 모델이 이용되었다. 그 모델에서, 밝기 인지(B)는 지수 n이 경험적으로 결정되어야 하는 곱셈 팩터 (S/P)ⁿ에 의해 수정된 휘도(P)에 의존할 것이다. 밝기 인지의 전통적인 휘도 의존성은 멱 법칙에 의해 제공되기 때문에 S/P 의존성의 포함은 하기 식에 의해 확장되는 것으로 가정된다

따라서, 상이한 S/P 값들의 2개의 스펙트럼들이 S/P의 2개의 상이한 값들에서 동일하게 밝게 인지된다면, B의 동일한 값들에 적용된 상기 수식은 지수 n에 대한 값을 결정하기 위해 해결될 수 있다.

8개의 조명 조건들 및 40 명의 피실험자들에 대해 지수 n을 평가하기 위한 320 개의 기회들이 있었다. 분석을 통해, 전체 3개의 연령 카테고리들을 커버하는 전체 피실험자 그룹에 대해 n = 0.436 ± 0.021의 전체 지수 값이 산출되었다. 연령에 대한 어떠한 유의미한 효과도 없었다.

CCT(Correlated Color Temperature) 변동들:

밝기 인지를 평가한 이전 연구들은 전통적으로 결정된 더 높은 컬러 온도 조명이 더 밝은 것으로 인지되었음을 발견하였다(Harrington(1954)). 그러나 S/P의 제어가 없다면, 다색 광원들과 연관된 상대적으로 높은 CCT 스펙트럼들은 일반적으로 상대적으로 더 높은 S/P 값들을 가질 것이다. 우리의 전제는, 이러한 상이한 밝기 인지들이 멜라노픽 함량에 대한 스펙트럼 프록시로서 기능하는 상이한 S/P 값들의 결과이고(Berman 2008, Berman & Clear 2014, Brown 2012), 그 자체로 순수한 CCT 효과에 기인하지 않는다는 것이다. 여기에서 수행된 연구들에서, 밝기 인지에 대한 순수한 전통적인 (CIE 색도에 기초한) CCT 효과가 있었는지 및 조건들의 선택에서 명목상 높은 약 6500K에서 낮은 약 2700K 사이에서 전통적인 CCT가 변했는지 여부를 조사하려 시도하였다. 그러나, 다양한 메타머들의 형성에 대해, CCT를 수정하는 것은 우리의 메타메리즘의 제약 하에서 S/P의 변화를 항상 수반했기 때문에 일정한 S/P 값 그러나 상이한 전통적인 CCT 값들을 허용하는 계산 절차를 찾을 수 없었다. 이것은, 이러한 메타머들이 또한 흑체 로커스와 동일한 벡터 거리를 가져서, 동일한 색도의 표준 CIE 절차를 이용함으로써 구성된 메타머들이 동일한 전통적인 CCT 값들을 갖기 때문이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 여기서 이용된 정신적으로 개선된 메타머들은 동일한 CIE 색도(도 10f 참조)를 갖지 않지만 대안적으로 이들은 Stockman/Sharp 원추 감도들에 기초하여 컬러 공간에서 동일한 등가 색도들을 가질 것이다. 그럼에도 불구하고, 그 지수를 통한 S/P에 대한 밝기 인지의 명시적 의존성이 결정될 수 있는 밝기 매칭 연구에서, 높은 또는 낮은 전통적인 CCT의 조건에 따라 지수가 상이한 값들을 갖는지 여부를 실험하는 것이 가능하였다. 이러한 평가는 0.013 ± 0.034의 지수에서 차이를 도출하였고, 이는 0과 구별할 수 없고, 따라서 우리는 밝기 인지에 대한 임의의 유의미한 전통적 CCT 효과가 없다고 결론지었다.

메타머들 사이의 신속한 교번의 프로토콜이 멜라놉신 활성화의 전체 효과를 설명하고 있는가?

여기에서 결정된 결과들은 청색 스펙트럼 영역에서 피크 반응을 갖는 동작적 추가 스펙트럼 감도의 관점에서 멜라놉신 응답의 현재 이해와 일치한다. BC 연구에서 3개의 눈의 조도들, 즉 60, 150 및 400 럭스에서의 결과들의 유사성은 기본 메커니즘이 로드 수용체들의 직접적 응답이 아니기 쉽다는 점을 지지한다. 반면에, 여기에서 이용된 정신적 접근법에서, 스펙트럼 효과들이 이러한 신속하게 평가된 밝기 인지에 직접적으로 수반되는 신속한 응답 멜라놉신 세포들의 서브세트의 결과인지 여부를 결론짓는 것은 가능하지 않다. 멜라놉신의 일시적 거동의 현재 이해는 스위칭 프로토콜에서 이용되는 수 초보다 훨씬 긴 시간 기간들에 의한 느린 응답을 의미하기 때문에(McDougal & Gamlin (2010), Bailes& Lucas (2010), Do&Yau (2010), Ecker (2010)), 밝기 인지에 대한 전체 토닉 응답이 여기서 완전히 설정되지 않는 것이 또한 가능하다. 추가적인 연구들은 이러한 우려를 완전히 해명하는데 유용할 것이다. 아마도 각각의 눈과 연관된 겹쳐지지 않은 피질 영역들을 자극하고 비교할 수 있도록 조정된 시야 스펙트럼 옵틱스로 이극률 뷰잉을 활용하는 정상 상태 모드에서 수행된 연구가 더 많은 통찰력을 제공할 수 있다.

조명 실행에 대한 시사점들:

조명 공학에 대한 실제 애플리케이션들의 관점에서, BM 연구의 결과들은, 시야의 오직 일부만이 조명되는 야간 환경에서도 동일한 밝기 인지를 유지하면서, 이들의 비교적 낮은 S/P 값들을 갖는 통상적인 HID 소스들을, 예를 들어, 훨씬 더 높은 S/P 값들이 가능한 LED 소스들로 대체함으로써 상당한 에너지 절감이 달성될 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, S/P = 1.4의 일반적인 MH 소스를 사용하는 조명된 경기장에서 S/P = 2.4의 LED 소스로 교체하는 것은 동일한 인지 밝기 원리 및 0.436의 지수 값에 기초하여 (표준 광 계측기로 측정되는) 25 %의 광 레벨 감소 가능성을 도출할 것이다. 이러한 특징은 스포츠 조명 애플리케이션들을 위한 설계 고려사항이어야 하는 충분한 크기이다.

참조문헌들:

Berman, SM & Clear, RD (2014) Implications of the Relationship between S/P and Melanopic Efficiency: Illum Eng. Soc Conference report Nov. 2014.

Schlesselman et al (2015), Brightness judgments in a simulated sports field correlate with the S/P value of light sources. Submitted for presentation IES Conference Indianapolis, IN.

Stockman, A., & Sharpe, L. T. (1999). Cone spectral sensitivities and color matching. In K. Gegenfurtner& L. T. Sharpe (Eds.), Color vision: From Genes to Perception (pp. 53-87) Cambridge: Cambridge University Press

Claims

일반적 목적의 주변 또는 디바이스 배경 조명을 제공하면서 조합하여 일시적으로 활성인 서카디안(circadian) 자극 조명을 동시에 제공할 수 있는 스펙트럼 튜닝가능한 조명 시스템을 동작시키는 방법으로서,
a. 상기 조명의 상기 일반적 목적에 적어도 부분적으로 기초하여 원하는 광 레벨들을 선택하는 단계;
b. 원하는 인체 공학적 효과들에 적어도 부분적으로 기초하여 서카디안 자극의 범위를 선택하는 단계;
c. 상관된 컬러 온도들의 범위에 걸쳐, 높은 멜라노픽(melanopic) 함량(높은 서카디안 자극) 소스들 또는 스펙트럼들 및 낮은 멜라노픽 함량(낮은 서카디안 자극) 소스들 또는 스펙트럼들을 선택하는 단계를 포함하고,
i. 상기 높은 멜라노픽 함량 소스들 또는 스펙트럼들 및 상기 낮은 멜라노픽 함량 소스들 또는 스펙트럼들은 동작 제어 프로파일에 의해 함께 커플링된 메타머(metamer)들이어서, 상기 높은 및 낮은 멜라노픽 함량 소스들의 순(net) 인지된 컬러 및 밝기는 결합되어 서카디안 자극의 전환 사이클들 동안 일정하게 유지되는, 스펙트럼 튜닝가능한 조명 시스템을 동작시키는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 소스들은 LED들이고, 상기 동작 제어 프로파일은 변하는 입력 전류 또는 듀티 사이클을 포함하는, 스펙트럼 튜닝가능한 조명 시스템을 동작시키는 방법.
제1 항에 있어서,
수식 (3) 및 (4)에 기초한 치수적으로 균질한 M/P 값들을 사용하여 멜라놉신 함량(M/P 값들)을 통합하기 위해 수정된 출력을 갖는 광 계측기로 상기 광원들의 멜라노픽 함량을 검증하는 단계를 더 포함하는, 스펙트럼 튜닝가능한 조명 시스템을 동작시키는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 동작 프로파일은 적어도 부분적으로 사용자의 선호되는 서카디안 사이클에 대해 결정되는, 스펙트럼 튜닝가능한 조명 시스템을 동작시키는 방법.
LED 조명 설비로서,
a. 하우징;
b. 높은 멜라노픽 함량을 갖는 상기 하우징 내의 LED들의 제1 서브세트;
c. 낮은 멜라노픽 함량을 갖는 상기 하우징 내의 LED들의 제2 서브세트;
d. 상기 LED들에 전력 공급하는 전기적 수단; 및
e. 동작 프로파일에 따라 LED들의 상기 제1 서브세트 및 상기 제2 서브세트로의 전력을 조정하도록 적응되는 제어기를 포함하고, 상기 프로파일은 적어도 부분적으로, LED들의 상기 제1 서브세트 및 제2 서브세트의 멜라노픽 함량과 연관된 생리학적/생물학적 이점들에 대해 결정되는, LED 조명 설비.
제5 항에 있어서,
높은 멜라노픽 함량을 갖는 LED들의 상기 제1 서브세트는 낮은 멜라노픽 함량을 갖는 LED들의 상기 제2 서브세트의 메타머들인, LED 조명 설비.
제5 항에 있어서,
상기 전기적 수단은 LED들의 상기 제1 서브세트 및 상기 제2 서브세트를 독립적으로 동작시키도록 적응되는 하나 이상의 구동기들을 포함하는, LED 조명 설비.
제1 항에 있어서,
복수의 조명 설비들과 결합되는, LED 조명 설비.
제8 항에 있어서,
조명을 위한 타겟 영역에 설치되는, LED 조명 설비.
제9 항에 있어서,
상기 타겟 영역은
a. 건물의 내부;
b. 외부 공간
을 포함하는, LED 조명 설비.
영역을 조명하는 방법으로서,
a. i. 더 높은 멜라노픽 함량을 제공하도록 구성되는 제1 서브세트; 및
ii. 더 낮은 멜라노픽 함량을 제공하도록 구성되는 제2 서브세트를 포함하는 광원들의 세트를 선택하는 단계;
b. 상기 광원들을 0 내지 100 퍼센트 강도에서 선택적으로 구동시키는 단계를 포함하여,
c. 상기 광원들의 세트는
i. 일반적 조명; 또는
ii. 서카디안 조명
중 임의의 것을 위해 사용될 수 있는, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 일반적 조명은
a. 내부 조명;
b. 외부 조명;
c. 일반적 목적의 조명; 또는
d. 배경 조명
을 포함하는, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 더 높은 멜라노픽 함량은 멜라노픽 수용체들에서 수면 응답을 생성하는데 효과적인 멜라노픽 함량을 포함하고, 상기 더 낮은 멜라노픽 함량은 멜라노픽 수용체들에서 경보 응답을 생성하는데 효과적인 멜라노픽 함량을 포함하는, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 서카디안 조명을 선택적으로 구동시키는 단계는 미리 정의된 프로파일을 따르고,
a. 상기 미리 정의된 프로파일은 광원들의 상기 제1 서브세트 및 상기 제2 서브세트를
i. 인지된 컬러 메타메릭 컬러 출력의 실질적으로 인지불가능한 시프트들; 및
ii. 실질적으로 일정한 공간적 또는 배경 밝기로
선택적으로 구동시킴으로써 더 높은 멜라노픽 함량과 더 낮은 멜라노픽 함량 사이에서 전환되는, 영역을 조명하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 전환은,
a. 미리 결정된 시간 인터벌들;
b. 감지된 측정들;
c. 원격 제어된 명령들 중 적어도 하나에 기초하는, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
더 높은 멜라노픽 함량을 제공하도록 구성되는 상기 제1 서브세트는 약 488 mm의 대역에서 비교적 높은 퍼센티지의 에너지를 갖고, 1로 정규화된 스케일에서, 상기 에너지는 478 내지 498 nm에서 0.20 정도 또는 그 초과인, 영역을 조명하는 방법.
제16 항에 있어서,
상기 에너지는 483 내지 493 nm에서 0.30 정도 또는 그 초과인, 영역을 조명하는 방법.
제17 항에 있어서,
상기 에너지는 486 내지 490 nm에서 0.40 정도 또는 그 초과인, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 더 높은 멜라노픽 함량 및 상기 더 낮은 멜라노픽 함량은 상기 광원들의 SPD와 관련된 계산된 M/P 값을 포함하는, 영역을 조명하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 광원들의 세트는 조명 설비, 조명기구 또는 모듈에 구현되고, 추가로 복수의 상기 조명 설비들, 조명기구들 또는 모듈들은 상기 영역의 적어도 일부 또는 상기 영역의 공간의 조명을 제공하는 것을 목적으로 하는, 영역을 조명하는 방법.